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

Для генерации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект. Если подавать на некоторые  кристаллы ВЧ напряжение, то они  начинают колебаться в такт изменению  напряжения. Пьезоэлектрические свойства отдельных материалов выражены весьма ярко и эти материалы совершают колебательные движения с большой амплитудой, иначе говоря, они преобразуют введенную электрическую энергию в энергию механических колебаний с большим к.п.д. Замечательными пьезоэлектрическими свойствами обладает кристалл кварца, вырезанный в соответствии с определенными кристаллографическими осями. Раньше ультразвуковые излучатели делали из кристалла кварца. Однако так как для возбуждения кварца нужно высокое напряжение, в настоящее время перешли к применению керамики из титаната бария. Для возбуждения колебаний преобразователи иэ этого материала требуют напряжения до 100 В. Недостатком таких преобразователей является то, что их свойства начинают изменяться при температуре 120...130°С. Поэтому головку из титаната бария необходимо охлаждать. Прежде для этой цели использовали воду, однако это создавало много неудобств. С помощью охлаждающих ребер можно добиться устойчивой работы излучающей головки терапевтического аппарата и при естественном воздушном охлаждении (рис. 41). ВЧ напряжение, необходимое для возбуждения пьезоэлектрической излучающей головки, обеспечивает специальный генератор. В терапии применяют кристалл с максимальной поверхностью 10 см .Современные аппараты позволяют получить интенсивность ультразвука 2 Вт/см2. При этом генератор должен иметь мощность, в несколько раз превышающую 10 Вт с учетом коэффициентов преобразования и вывода мощности. В зависимости от режима работы генератора преобразователь формирует непрерывные или импульсные волны. Импульсный режим работы позволяет использовать для терапии более интенсивный ультразвук без чрезмерного перегрева облучаемых тканей.

По расположению головки, излучающей ультразвук, различают три  способа лечения. При контактном лечении колеблющуюся поверхность  слегка прижимают к коже так, чтобы  головка прилегала всей поверхностью. Воздушный слой между поверхностью тела и головкой перед процедурой следует заполнить какой-либо передающей жидкостью, например парафином, иначе  ультразвуковые колебания отразятся  на граничной поверхности преобразователь—воздух. Если из-за неровности поверхности  тела ультразвуковую головку нельзя прижать всей поверхностью к телу (например, на пальцах или щиколотке) или если размещение головки причинило  боль, то контактное лечение нельзя применять. В таких случаях прибегают  к лечению в водяной ванне. Облучаемая часть тела опускается в  воду, нагретую до температуры тела и дегазированную кипячением. Головка  размещается в 2...3 см от облучаемого  участка тела. В этом случае ультразвуковая энергия передается воде и через  нее воздействует на облучаемые ткани. При выборе направления излучения  необходимо следить за тем, чтобы  под действием отражения от стенок ванны в тканях не возник ультразвук с интенсивностью, превышающей допустимые нормы.

При лечении некоторых  частей тела (например, глаз, уха, зубов) следует применять различные  вспомогательные средства (заполненную  водой резиновую трубку, которая  передает ультразвуковые колебания  в нужную часть тела). В комплект аппаратов для ультразвуковой терапии входят различные сосуды: в форме воронки и цилиндра, из металла или пластмассы. С их помощью терапевтическое воздействие можно локализовать на сравнительно малой поверхности. Однако этими вспомогательными средствами пользуются неохотно, поскольку, с одной стороны, они сложны в обращении, с другой — возникающие нежелательные отражения часто не позволяют управлять интенсивностью ультразвука.

При облучении ультразвуком важно знать, какая энергия необходима для соответствующего воздействия  на организм. Это важно прежде всего для обеспечения воспроизводимости результатов лечения, но еще и потому, что избыточная ультразвуковая энергия может оказать вредное действие на организм. Для точного дозирования следует учитывать несколько факторов: интенсивность излучаемого ультразвука (малая интенсивность — 0,05...0,5 Вт/см2, средняя — 0,5—2,0 Вт/см2, большая >2,0 Вт/см2), частоту ультразвуковых ко лебаний (в терапевтических аппаратах 800 кГц, для диагностических целей больше, максимально 15 МГц) и длительность процедуры (в зависимости от сложности заболевания 5...20 мин).

Ультразвук и  биологические системы.

Как было показано в предыдущих разделах, при распространении интенсивных  ультразвуковых колебаний (интенсивностью более 1…2 Вт/см2) в жидкости наблюдается, обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией. Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, приводящие к активной локальной турбулизации среды. После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются так-же локальные повышения температуры и электрические разряды. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3…1 Вт/см2.

Выявлено, что в диапазоне  частот (5…10)×103 Гц отмечаются такие  физико-химические явления, как разделение молекул и ионов с различной  массой, искажение формы волны, появление  переменного электрического поля, капиллярно-акустического  и теплового эффекта, активация  диффузии. Здесь проявляются сопутствующие  эффекты, влияющие на процессы экстракции из лекарственного, растительного и  животного сырья, наблюдается усиление процессов гиперфильтрации, проницаемости клеточных мембран, становятся возможными стерилизация термолабильных веществ, фонофорез, получение концентрированных ингаляционных аэрозолей.

Как известно, механическое действие ультразвука приводит к  размельчению и диспергированию  частиц. Механически работа ультразвука  усиливает диффузию растворителей  в биологические ткани.

Физико-химическое действие ультразвука на биологические объекты, прежде всего, связано с морфологией  их поверхности. Ультразвук усиливает  в тканях проницаемость клеточных  мембран и диффузные процессы, изменяет концентрацию водородных ионов  в тканях, вызывает расщепление высокомолекулярных соединений, ускоряет обмен веществ. При умеренной и небольшой интенсивности ультразвука в живых тканях явления кавитации практически не выражены и наблюдается лишь пульсация естественных пузырьков в биологических жидкостях и усиление внутриклеточных и внеклеточных микропотоков жидкости, прекращающихся при отключении генератора ультразвука.

Помимо освобождения механической энергии, образование кавитационных полостей сопровождается возникновением электрических зарядов на пограничных поверхностях, вызывающих люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды распадающихся на свободные гидроксильные радикалы и атомарный водород (Н2O = НО + Н).

В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул  воды в тканях организма крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука [20].

Ультразвук изменяет скорость процессов на границе газ-жидкость. Действие ультразвука повышает растворимость  азота в воде на 12%. И в то же время ультразвуковое облучение  растворов приводит к их дегазации.

Тепловое действие ультразвука  происходит вследствие превращения  акустической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическими явлениями, вызывающими так называемый эффект пограничных поверхностей. Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе разделения двух сред. Особенно это сказывается на тепловом эффекте, который может усиливаться в несколько раз.

Биологическое действие ультразвука  на клетки и ткани определяется главным  образом интенсивностью ультразвука  и длительностью облучения и  может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние  на жизнедеятельность организмов [19]. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1…2 Вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки). Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

Первичный эффект действия ультразвука проявляется влиянием на тканевые и внутриклеточные процессы; изменение процессов диффузии и  осмоса, проницаемости клеточных  мембран, интенсивности протекания ферментативных процессов, окисления, кислотно-щелочного равновесия, электрической  активности клетки. В тканях под  действием ультразвука активируются обменные процессы, увеличивается содержание нуклеиновых кислот, и стимулируются  процессы тканевого дыхания. Под  влиянием ультразвука повышается проницаемость  стенок сосудов.

В основе биологического действия ультразвука 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 обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.

В настоящее время, ультразвук – один из методов интенсификации биокатализа. Ультразвуковое облучение ассоциируется с повреждением клеток, но доказаны и благотворные последствия озвучивания на усиление биокатализа и жизнедеятельность живых клеток.

Оксиление холестерола клетками Rhodococcus erythropolis, дегидрогенирование кортизола неподвижными клетоками Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом воздействии на частоте 20 кГц. Значительное повышение скорости биотрансформации наблюдалось при облучении клеток в течение 5 секунд каждые 10 минут мощностью 2,2 Вт/см2. Ультразвук повышал массобмен через клеточные мембраны.

Кавитация в суспензиях клеток. При повышении интенсивности  ультразвука до значений, когда в  среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных  мембран, начинается процесс разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда  пульсации пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта  различна для разных клеток, зависит  от их формы и размера, а также  прочности цитоплазмической мембраны и наличия цитоскелета.

Ультразвуковая дезинтеграция  клеток получила широкое применение в биотехнологии, в биохимических  и вирусологических исследованиях  для выделения отдельных веществ  и фрагментов клеток, а также в  лабораторной диагностике для определения  механической резистентности клеточных  мембран.

Воздействие ультразвука  на белки. Известно, что в ультразвуковом поле происходит изменение структуры, формы и функции молекулы белка. Направление этих изменений зависит  от строения белковых и концевых групп  белка и свойств газа, содержащегося  в водном растворе.

Установлено, что эффект воздействия ультразвука на биомакромолекулы (нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, липопротеиды и другие) зависит от природы газа, присутствующего в озвучиваемом растворе исследуемых веществ. В присутствии кислорода происходит процесс деградации биомакромолекул, вызывающий угнетение их биокаталитической активности. Данные процессы сопровождаются снижением вязкости растворов этих веществ. В присутствии водорода наблюдается увеличение молекулярной массы биомакромолекул при сохранении их нативных свойств, в частности таких белков, как сывороточный альбумин, трипсин и пепсин.

Воздействие ультразвука  на ферменты. Выявлено, что изменения  ферментов при ультразвуковом облучении  обусловлены не только структурой этих белков, но и природой присутствующего  газа. В связи с этим ультразвук не всегда оказывает на них инактивирующее действие. Инактивация ферментов при озвучивании наблюдается в том случае, если этот процесс происходит в присутствии кислорода; в среде, насыщенной водородом, инактивация не происходит. Это установлено при ультразвуковой обработке таких ферментов, как трипсин, пепсин, тирозиназа и других. Некоторые ферменты, например каталаза, вообще не инактивируются ультразвуком. Оксидазы более чувствительны к воздействию ультразвука, в то время как редуктазы, каталазы и амилазы обладают достаточной устойчивостью.

Стерилизующий эффект ультразвука  обусловлен разрушающим воздействием ультразвуковых колебаний на микроорганизмы, что позволило использовать ультразвук для стерилизации и дезинфекции. Так, например, стерилизация молока при  озвучивании в течение 15…60 секунд задерживает его скисание на 5 суток, при этом витамины в молоке сохраняются. В 1 см3 молока, стерилизованного ультразвуком, содержится в среднем 18 КОЕ, в то время как после обычной пастеризации в течение 1 часа в 1 см3 его остается около 3000 КОЕ.

Механизм стерилизующего действия ультразвука весьма сложен и раскрыт не полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором. Явление кавитации возникает  в первую очередь там, где прочность  жидкости наименьшая, т.е. на границе  раздела сред клетка-жидкость. При  образовании на поверхности клетки кавитационного пузырька в момент его уменьшения происходит как бы втягивание структуры стенки в полость каверны. В последующей фазе при захлопывании каверны возникает мощный гидродинамический удар, достигающий десятков МПа.