Ульрозвук

Значения коэффициента поглощения и глубины полупоглощения в различных тканях представлены в таблице 1.

                                                                                                  слайд № 8

Видно, что поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани.

     Важнейшими  физическими характеристиками ультразвука, наиболее часто учитываемыми  при его использовании, считаются  следующие:

- частота, указывающая на  число полных колебаний частиц  среды в единицу времени и  выражающаяся обычно в килогерцах (кГц); аппараты ультразвуковой терапии  сегодня работают в основном  на фиксированных частотах (880 кГц, 2640 кГц и др.);

- сила ( или интенсивность) ультразвука, под которой понимают  энергию, проходящую за 1 с через  площадь в 1 см2 ; чаще в медицине ее выражают в Вт/см2 ( 1 Вт/см2 = 1эрг/ (с ∙ см2 ); с лечебной целью применяют ультразвук интенсивностью от 0.05 до 1,0-1,2 Вт/см2 ;

- амплитуда смещения (амплитуда  ультразвуковой волны), которая указывает  на максимальное отклонение частиц  среды от положения равновесия: чем она больше, тем более значительные  изменения возникают в тканях;

- скважность, которая является  отношением периода следования  импульсов ( в отечественных аппаратах  он равен 20 мс) к длительности  импульса ( в отечественных аппаратах  она равна 2,4 и 10 мс, а следовательно, скважность равна соответственно 10,5 и 2); чем выше скважность, тем  меньше нагрузка на организм  больного.

                                                Лекция №2

Биофизическая характеристика действия ультразвука

    Взаимодействие ультразвука с веществом.

а) Акустические течения и кавитация. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом специфических эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, возникают акустические потоки (звуковой ветер), скорость которых достигает 10 м/с. На частотах диапазона УСЧ (0,1-10 )МГц в ультразвуковом поле с интенсивностью в несколько Вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Эта особенность распространения УЗ используется в ультразвуковых ингаляторах.

    К числу важных  явлений, возникающих при распространении  интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация-рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой УЗ и захлопываются в положительной фазе давления. При схлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысячи атмосфер, образуются сферические ударные волны. Такое интенсивное механическое воздействие на частицы, может приводить к разнообразным эффектам, в том числе и разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука. Механические эффекты особенно значительны при действии фокусированного ультразвука.

     Еще одним  следствием схлопывания кавитационных  пузырьков является сильный разогрев  их содержимого (до температуры  порядка 10 0000 С), сопровождающийся ионизацией и диссоциацией молекул.

     Явление кавитации  сопровождается эрозией рабочих  поверхностей излучателей, повреждением  клеток и т.п. Однако, это явление  приводит и к ряду полезных  эффектов. Так, например, в области  кавитации происходит усиленное  перемешивание вещества, что используется  для приготовления эмульсий.

б) Выделение теплоты и химические реакции. Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границе раздела сред, когда коэффициент отражения близок к единице (100%). Это связано с тем, что в результате отражения интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. В этом можно убедиться экспериментально. Надо приложить к влажной руке излучатель УЗ. Вскоре на противоположной стороне ладони возникает ощущение (похожее на боль от ожога), вызванное УЗ, отраженным от границы «кожа-воздух».

     Ткани со  сложной структурой (легкие) более  чувствительны к нагреванию ультразвуком, чем однородные ткани (печень). Сравнительно  много тепла выделяется на  границе мягких тканей и кости.

     Локальный  нагрев тканей на доли градусов  способствует жизнедеятельности  биологических объектов, повышает  интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие  может привести к перегреву.

     В некоторых  случаях используют сфокусированный  ультразвук для локального воздействия  на отдельные структуры организма. Такое воздействие позволяет  добиться контролируемой гипертермии, т.е. нагрева до 41-440 С без перегрева соседних тканей.

     Повышение  температуры и перепады давления, которыми сопровождается прохождение  ультразвука, могут приводить к  образованию ионов и радикалов, способных вступать во взаимодействие  с молекулами. При этом могут  протекать такие химические реакции, которые в обычных условиях  неосуществимы. Химическое действие  УЗ проявляется, в частности, расщепление  молекулы воды на радикалы  Н+ и ОН- с последующим образованием перекиси водорода Н2О2.

в) Отражение звука. Звуковидение. На отражении УЗ волн от неоднородностей основано звуковидение,  используемое в медицинских ультразвуковых исследованиях. В этом случае ультразвук, отраженный от неоднородностей, преобразуются в электрические колебания, а последние – в световые, что позволяет видеть на экране те или иные предметы в непрозрачной для света среде.

     На частотах  УЗВЧ-диапазона создан ультразвуковой  микроскоп – прибор, аналогичный  обыкновенному микроскопу, преимущество  которого перед оптическим состоит  в том, что при биологических  исследованиях не требуется предварительно  окрашивания объекта.  При увеличении  частоты УЗ волны увеличивается  разрешающая способность (можно  обнаруживать более мелкие неоднородности), но уменьшается их проникающая  способность, т.е. уменьшается глубина, на которой можно исследовать  интересующие структуры. Поэтому  частоту УЗ выбирают так, чтобы  сочетать достаточное разрешение  с необходимой глубиной исследования. Так, для УЗ исследования щитовидной  железы, расположенной непосредственно  под кожей, используют волны частоты 7,5 МГц, а для исследования органов  брюшной полости используют частоту 3,5 - 5,5 МГц. Кроме того, учитывают  и толщину жирового слоя: для  худых детей используется частота 5,5 МГц, а для  полных  детей  и  взрослых  – частота 3,5 МГц.

Биофизическое действие ультразвука.

     При действии  ультразвука на биологические  объекты в облучаемых органах  и тканях на расстояниях, равных  половине длины волны, могут возникать  разности давлений от единиц  до десятков атмосфер. Столь интенсивные  воздействия приводят к разнообразным  биологическим эффектам, физическая  природа которых определяется  совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде.

Общее воздействие ультразвука на ткани и организм в целом

    Биологическое действие ультразвука, т.е. изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью воздействия и может оказывать как положительное так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/м2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Ультразвуковые волны малой и средней интенсивности вызывают в живых тканях положительные биологические эффекты, стимулирующие протекание нормальных физиологических процессов.

     Успешное применение  УЗ указанных интенсивностей  находит применение в неврологии  при реабилитации таких заболеваний, как хронический радикулит, полиартрит, неврит, невралгия. Ультразвук используется  при лечении болезней позвоночника, суставов и т.д.

    УЗ большой  интенсивности (3-10 Вт/см2) оказывает вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. Высокая интенсивность  ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Длительные интенсивные воздействия ультразвуком могут привести к перегреву  биологических структур и к их разрушению (денатурация белков и др.). Воздействие интенсивного ультразвука может иметь и к отдаленные последствия. Например, при длительных воздействиях частотой УЗ частотой 20-30 кГц, возникающих в некоторых производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной системы, повышается утомляемость, поднимается температура, возникают нарушения органа слуха.

     Очень интенсивный  УЗ для человека смертелен. Так, в Испании 80 добровольцев были  подвергнуты действия УЗ турбулентных  двигателей. Результаты этого варварского  эксперимента оказались плачевными: 28 человек погибли, остальные оказались  полностью или частично парализованы.

     Тепловой эффект, производимый УЗ большой интенсивности, может быть весьма значительным: при ультразвуковом облучении  мощностью 4 Вт/м2 в течение 20 с температура тканей и организма на глубине 2-5 см повышается на 5-6 0 С.

     В целях  предотвращения профессиональных  заболеваний у лиц, работающих  на ультразвуковых установках, когда  возможен контакт с источниками  ультразвуковых колебаний, для защиты  рук обязательно необходимо применение 2 пар перчаток: наружных резиновых  и внутренних – хлопчатобумажных.

Действие ультразвука на клеточном уровне

     В основе  биологического действия УЗ могут  лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов и обмена веществ из-за диффузии. Изменение потока различных веществ через цитоплазматическую мембрану приводит к изменению состава внутриклеточной среды и микроокружения клетки. Это влияет на скорость биохимических реакций с участием ферментов, чувствительных к содержанию в среде тех или иных ионов. В некоторых случаях изменение состава среды внутри клетки может привести к ускорению ферментативных реакций, что наблюдается при воздействии на клетки ультразвуком низких интенсивностей.

     Многие внутриклеточные  ферменты активируются ионами  калия. Поэтому при повышении  интенсивности ультразвука более  вероятным становится эффект  подавления ферментативных реакций  в клетке, так как в результате  деполяризации клеточных мембран  концентрация ионов калия во  внутриклеточной среде уменьшается.

     Действие ультразвука  на клетки может сопровождаться  следующими явлениями:

- нарушением микроокружения  клеточных мембран в виде изменения  градиентов концентрации различных  веществ около мембран, изменением  вязкости среды внутри и вне  клетки;

- изменением проницаемости  клеточных мембран в виде ускорения  обычной и облегченной диффузии, изменением эффективности активного  транспорта, нарушением структуры  мембран;

- нарушением состава внутриклеточной  среды в виде изменения концентрации  различных веществ в клетке, изменением  вязкости;