Физические основы воздействия звука на биологические ткани. Применение ультразвуковых исследований в медицине

В настоящее время делаются попытки стерилизации большой группы жидких лекарственных форм с помощью  ультразвука различных частот и  интенсивности в сочетании с  некоторыми антимикробными препаратами. Ионы серебра, меди, цинка, находящиеся  в растворе в концентрациях, не поддающихся  количественному определению («следы»), в комбинации с ультразвуком (интенсивностью 0,3…0,5 Вт/см2 временем облучения 15…30 мин) проявляют олигодинамическое воздействие на всю микрофлору, которая находится в лекарственной форме. Активность ионов металлов в отношении, например, грибов снижается в ряду Ag+, Hg2+, Cu2+, Cd2+, Cr2+, Ni2+, Pb2+, Co2+, Zn2+, Fe2+, Ca2+. Соли тяжелых металлов в большой концентрации коагулируют белки, в малых – являются блокаторами меркаптогрупп.

При ультразвуковой обработке  водных суспензий микобактерий частотой 20 кГц, происходит разрушение 93% микобактерий, а при высокочастотном ультразвуковом воздействии (612 кГц) – 35,5%.

Ультразвуковой капиллярный  эффект – явление увеличения глубины  и скорости проникновения жидкости в капиллярные каналы под действием  ультразвука (по сравнению с глубиной и скоростью, обусловленных только капиллярными силами). Открытие ультразвукового капиллярного эффекта принадлежит белорусскому ученому академику Е.Г. Коновалову (1961) [46,47]. В его эксперименте использовались стеклянные трубки с диаметром 2 мм, имевшие входной рупор. При нормальном падении волн на отверстие рупора в трубке наблюдался дополнительный подъем уровня жидкости (сверх высоты капиллярного уровня), пропорциональный силе звука. В серии работ Е.Г. Коновалова обнаружено, что дополнительный подъем под действием ультразвука линейно растет при повышении температуры и увеличении диаметра. Максимальная высота и скорость подъема наблюдались при контакте капилляров с поверхностью излучателя. Исследования позволили полагать, что ультразвуковой капиллярный эффект обусловлен ударами кумулятивных струй или в упрощенном варианте давлением, возникающим при захлопывании кавитационных пузырьков около устья капилляра. Подобно ультразвуковому капиллярному эффекту известно явление «обратного» ультразвукового капиллярного эффекта, нашедшего широкое применение, в том числе и в медицине.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ  ДИАГНОСТИКА

- совокупность методов  исследования здорового и больного  организма человека, основанных  на использовании УЗ. Физ. основой  У. д. является зависимость  параметров распространения звука  в биол. тканях (скорость звука,  коэф. затухания звука, волновое сопротивление) от вида ткани и её состояния. УЗ-методы позволяют осуществить визуализацию внутр. структур организма, а также исследовать движение биол. объектов внутри организма. Осн. особенность У. д.- возможность получить информацию о мягких тканях, незначительно различающихся по плотности или упругости. УЗ-метод исследования обладает высокой чувствительностью, может использоваться для обнаружения образований, не выявляемых с помощью рентгена, не требует применения контрастных веществ. безболезнен, не имеет противопоказаний.

Для диагностич. целей используется УЗ частотой от 0,8 до 15 МГц; низкие частоты применяются при исследовании глубоко расположенных объектов или при исследовании, проводимом через костную ткань, высокие-для визуализации объектов, близко расположенных к поверхности тела, для диагностики в офтальмологии, при исследовании поверхностно расположенных сосудов.

Импульсная ультразвуковая диагностика

Рассмотрим вначале импульсную ультразвуковую диагностику. Здесь  отраженные импульсы принимает тот  же преобразователь, который излучал  их. Электронные схемы аппарата работают то в передающем режиме и при этом возбуждают преобразователь, излучающий ультразвуковые колебания, то переключаются  на прием и усиливают изменение  электрического напряжения на преобразователе, воспринимающем отраженную энергию. Результаты исследования отображаются на экране осциллографа. Расстояние между импульсами на экране (при известном масштабе времени) позволяет точно определить расстояние до отражающей поверхности. Обычно на экране появляется три различных  импульса. В левой части экрана виден импульс большой амплитуды, который отмечает время излучения импульса. В этот момент включается пилообразное напряжение, подаваемое на горизонтальные отклоняющие пластины осциллогоа-фа. Импульс, видимый в середине экрана, отражен от исследуемой граничной поверхности.- Его малая амплитуда объясняется тем, что на отражающую поверхность ультразвуковые волны, как правило, падают не перпендикулярно, следовательно, лишь часть отраженной энергии достигает небольшой (в несколько квадратных сантиметров) поверхности приемопередающего преобразователя, с другой стороны, уменьшение энергии вызвано и поглощением.

И, наконец, в правой части  экрана видим большой импульс. Он отразился от противоположной граничной  поверхности, при эхо-энцефалографии, например, это импульс, отраженный от противоположной стороны черепа. Амплитуда этого импульса больше, чем у среднего импульса, так как он отражен от граничной поверхности ткань—воздух, т. е. от границы сред с большой разницей сопротивления звуковым волнам, при этом происходит почти 100%-е отражение. Естественно, если в «просвечиваемой» среде (например, в черепе) есть несколько отражающих поверхностей, то на экране будут видны несколько отраженных импульсов.

Имеет смысл сказать и  о выборе частоты применяемых  ультразвуковых волн. Для того чтобы  лучше сфокусировать и направлять луч и обеспечить лучшее разрешение, целесообразно использовать как  можно более высокую частоту. Однако с увеличением частоты  почти квадратически возрастает и поглощение (т. е. в среде теряется сравнительно много энергии) и обратно к приемному преобразователю возвращается лишь слабый сигнал. В этом случае появляется опасность того, что слабый отраженный сигнал потеряется в помехах от фона, поэтому требуется большее усиление. Выбирая частоту, следует идти на своеобразный компромисс — обычно частоту ультразвука выбирают в диапазоне 1...15 МГц. Но и в этом случае может возникнуть необходимость использовать для усиления принятых сигналов сложный нелинейный усилитель. Дело в том, что чем глубже лежит отражающая поверхность, тем слабее отраженный сигнал, ведь ультразвуковым волнам предстоит проделать этот путь дважды. Поэтому часто применяют такой усилитель, усиление которого начиная с момента излучения ультразвукового импульса экспоненциально возрастает. В результате на эране осциллографа появляются импульсы практически одинаковой амплитуды, ведь чем глубже отражающая поверхность, тем позднее прибывает отраженный импульс, причем его амплитуда уменьшается со временем возвращения экспоненциально. Амплитуда отраженного импульса существенно меньше, если он приходит от более глубоко расположенных поверхностей, но чем позже он поступает, тем, больше усиление приемного устройства.

Казалось бы, нетрудно увеличить  отраженный сигнал, повысив интенсивность  ультразвука, излучаемого на исследуемую  часть тела. Однако излучение с  чрезмерно большой интенсивностью может вызвать различные нежелательные  эффекты, а длительное облучение  может даже причинить вред. Поэтому  в ультразвуковой диагностике вообще работают при интенсивности ультразвука  менее 50 мВ/см2. Это столь незначительная величина, что облучение наверняка не причинит никакого вреда, даже если оно попадет на самые чувствительные органы. В этом-то и состоит большое преимущество ультразвуковой диагностики по сравнению, например, с рентгеновской. Поэтому рассматриваемым способом можно изучать даже эмбрион, столь чувствительный в генетическом отношении.

Первое диагностическое  исследование с помощью ультразвука  осуществил в 1934 г. австриец Дуссик на черепе одного пациента. Это было, по сути дела, исследование, связанное с поглощением ультразвука, благодаря которому удалось сделать понятный снимок опухоли на мозге. Позже многие прибегали к этому методу, но было установлено, что метод, основанный на изучении отражения ультразвука, намного ценнее. Этот метод используется в первую очередь для выявления отклонений во внутренних структурах головного мозга. Если объем одного полушария мозга увеличивается (опухоль мозга, кровоизлияние и т. д.), то другое полушарие сдавливается и уменьшается в объеме. А это равнозначно тому, что щель, разделяющая два полушария мозга, смещается от среднего положения.

Смещение срединной щели нетрудно обнаружить с помощью двух приемопередающих ультразвуковых головок, размещенных в области правого  и левого виска. Легко замечается смещение срединной щели даже меньше 1 мм, но патологией считается только смещение, превышающее 2 мм. Этот метод  особенно важен при лечении больных  с повреждением черепа. Дело в том, что с помощью эхо-энцефалографа можно быстро и без всяких сложностей установить факт и размер внутричерепных кровоизлияний. Например, при серьезных повреждениях срединная щель может сместиться за несколько часов даже на 7...8 мм, что вызывает, как правило, очень тяжелые функциональные осложнения. Следует заметить, что для точного определения места кровоизлияния не следует пренебрегать и рентгеновским исследованием с контрастным веществом, ведь эхо-энцефалография указывает только наличие процесса, уменьшающего пространство.

Ультразвуковая  диагностика с использованием сканирования

Если необходимо получить поперечную картину граничной области  слоев, имеющих акустические особенности, то ультразвуковую головку следует  перемещать. Если в обследуемой области  это облучение будем производить  от точки к точке, то получится  поперечная картина исследуемой  части тела. Этот метод получил  название ультразвукового сканирования. Для получения масштабного изображения  исследуемого сечения необходимо сигналы, отраженные от отдельных участков, отображать на различных точках экрана. Для отображения амплитуды отраженных сигналов используют модуляцию яркости  луча. При этом методе вся поверхность  экрана затемнена, а световые пятна  различной интенсивности появляются только в тех местах, которые соответствуют отражению.

В последнее время для  отображения результатов ультразвукового  сканирования стали применять осциллоскоп  с запоминающей трубкой. В ней  световое изображение, состоящее из точек различной интенсивности, сохраняется до тех пор, пока изображение  с экрана не стирается. При этом мы получаем двумерное изображение, которое  после исследования может быть даже сфотографировано.

Для оценки параметров перемещения  движущихся органов применяют доплеровскую ультразвуковую диагностику. Метод основан на том, что частота непрерывных ультразвуковых колебаний, отраженных от движущейся поверхности, меняется, причем от поверхности, приближающейся к источнику излучения, мы получаем отраженные сигналы с более высокой частотой, а от удаляющейся — отраженные сигналы с меньшей частотой (по сравнению с частотой излучаемых сигналов). Если принять скорость распространения ультразвука в тканях 1500 м/с и применять ультразвук частотой 2 МГц, то при скорости перемещения отражающей поверхности 10 м/с частота отраженных колебаний изменится на 260 Гц, т. е. окажется в полосе слышимых звуков. Это интересно, потому что разницу в частоте, полученную в результате интерференции излученных и отраженных колебаний, можно принять и оценить даже невооруженным ухом. Этот метод можно применять в кардиологии для регистрации функционирования сердечных мышц и отдельных сердечных клапанов, в акушерстве для установления признаков жизни у зародыша (работу сердца плода можно обнаружить уже на 12-й неделе беременности) или для определения скорости потока крови.

Кроме вышерассмотренных  импульсных ультразвуковых диагностических  систем, при медико-биологических  исследованиях используется доплеровская ультразвуковая диагностика. Ее обычно применяют при оценке параметров перемещения движущихся органов, тканей и жидкостей. Метод основан на том, что частота отраженных непрерывных ультразвуковых колебаний от движущейся поверхности меняется в зависимости от скорости движения. Если облучаемый объект приближается к источнику ультразвуковых колебаний, то отраженные от него сигналы имеют большую частоту колебаний и меньшую длину волны. Если объект удаляется от источника излучений, то отраженные от него сигналы имеют меньшую частоту и большую длину волны по сравнению с частотой и длиной волны ультразвукового сигнала, излучаемого электроакустическим преобразователем.

Так, если, например, отражающая поверхность перемещается со скоростью 10 м/с, то при скорости распространения  ультразвука 1500 м/с частота отраженных колебаний изменяется на 260 Гц. В результате интерференции излученных и отраженных колебаний эта разность частот, находящаяся в полосе слышимых звуков, может быть принята и оценена даже без помощи специальных приборов.

С помощью этого метода можно осуществить регистрацию  функционирования сердечных мышц и  отдельных сердечных клапанов, определить скорость движения крови, а также  в акушерстве установить признаки жизни  у зародыша, так как работу сердца плода можно обнаружить уже на 12-й неделе беременности.

При построении приборов диагностического назначения можно использовать следующие  подходы.

Электроакустический преобразователь  вместе с микрофоном, воспринимающим низкочастотные колебания, располагаются  в одной плоскости в непосредственной близости друг от друга.

Ультразвуковые колебания, частота которых определяется частотой генератора Г, создаются пьезопреобразователем ПЭ. Они проникают в объект измерения и отражаются от структуры, имеющей акустическую неоднородность. Если она движется, то частота отраженного сигнала отличается от частоты падающего на нее ультразвукового акустического сигнала. В результате интерференции падающего и отраженного сигналов образуется сигнал с частотой ∆f. Сигнал с этой частотой преобразуется в электрический сигнал с помощью микрофона М, который усиливается усилителем У. Усиленный акустический сигнал может быть снова преобразован в акустический с помощью динамика Д или может быть измерен с помощью измерителя-регистратора ИР. При этом частотный сигнал, воспринимаемый микрофоном, необходимо преобразовать в напряжение или ток с помощью частотного детектора ЧД.

Недостатком такого решения  будет сильное влияние на низкочастотный микрофон артефактов, обусловленных  перемещением ультразвукового излучателя и низкочастотного микрофона  по поверхности кожного покрова. Кроме того, низкочастотный микрофон будет улавливать шумы, обусловленные  работой мышц и отдельных органов.

Поэтому более предпочтительным выглядит техническое решение, когда  отраженные от объекта ультразвуковые колебания воспринимаются вторым электроакустическим  преобразователем. С помощью средств  электроники частоты зондирующих  и отраженных ультразвуковых колебаний  преобразуются в электрические  сигналы. Их разность будет характеризовать  разность частот А/ что легко зарегистрировать с помощью существующих технических средств, или преобразовать ее в звуковые колебания. Такой подход иллюстрируется структурной схемой .

Электрический сигнал, вырабатываемый электронным генератором 1, преобразуется  в акустические ультразвуковые колебания  в электроакустическом кольцевом  преобразователе 2. Отраженный от перемещающейся акустической неоднородности сигнал воспринимается пьезоэлектрическим электроакустическим  преобразователем 3. Он преобразуется  в электрический сигнал, который  усиливается усилителем 4. После  перемножения сигналов отражения и  возбуждения в перемножителе (смесителе сигналов) 5 суммарный ( f 0 + f 0 ± ∆f ) и разностный сигнал ( f 0 - f 0 ± ∆f ) подаются на фильтр низких частот 6, в котором выделяется разностная частота ∆f. Сигнал ее подается на частотный детектор 7 и регистрирующее устройство 8. Этот сигнал характеризует скорость перемещения акустической неоднородности.