Терапевтическое применение ультразвука
|
|
Скачать 0.73 Mb.
|
|
раздел 4 Терапевтическое применение ультразвука Давно известно, что ультразвук, действуя на ткани, вызывает в них биологические изменения [31]. Интерес к изучению этой проблемы обусловлен, с одной стороны, естественным опасением, связанным с возможным риском применения ультразвуковых диагностических систем для визуализации, а с другой – возможностью вызвать изменения в тканях для достижения терапевтического эффекта. По ультразвуковой терапии существует обширная литература, хотя, к сожалению, большинство работ не отличается высоким качеством и содержит мало строгой научной информации. В этой главе обсуждение ограничено работами, имеющими прочную научную основу. Действие ультразвука на организм при контактной его передаче зависит от мощности ультразвуковых колебаний, их частоты, длительности действия, способа излучения ультразвуковой энергии (непрерывного, импульсного), чувствительности тканей, интенсивности кровоснабжения и состояния метаболизма в тканях. Распространяясь в тканях организма, ультразвуковые волны влияют на физико-химические и биологические процессы, которые происходят в этих тканях. Самыми чувствительными к действию контактного высокочастотного ультразвука являются вегетативная и периферическая нервные системы. У лиц, которые работают в условиях интенсивного ультразвука, который сопровождается шумом, рядом с изменениями функций нервной системы наблюдается снижение сосудистого тонуса, особенно в местах контакта с источниками ультразвука. Общецеребральные нарушения часто совмещаются с умеренным вегетативным полиартритом рук, порезом пальцев, кистей и предплечья. Иногда у работников наблюдаются вестибулярные расстройства, повышение температуры тела и т.п. В зависимости от интенсивности ультразвуковых волн различают три вида ультразвука и влияния его на живые ткани: 1. Ультразвук малой интенсивности (до 1,5 Вт/см2). Вызывает изменения физико-химических реакций организма, ускорения обменных процессов, слабое нагревание ткани, микромассаж и не приводит к морфологическим нарушениям внутри клеток. 2. Ультразвук средней интенсивности (1,5–3 Вт/см2). Вызывает реакцию притеснения в нервной ткани. Скорость возобновления функций зависит от интенсивности и длительности влияния ультразвука. 3. Ультразвук большой интенсивности (> 3 Вт/см2). Вызывает необратимое притеснение вплоть до полного разрушения ткани. Ультразвук высокочастотного диапазона вызывает повышение проницаемости сосудов кожи, которая выражается гиперемией вплоть до кровоизлияния на поверхности кожи (петехий). Во время контактного действия ультразвука повышается сердечный ритм, заметно изменяется ЭКГ, при увеличении его интенсивности возникает аритмия, а в отдельных случаях – остановка сердца (у подопытных животных). Аналогичные реакции наблюдаются и у людей: возникают неприятные ощущения при озвучивании грудной клетки, впоследствии развиваются тахикардия и стенокардия. Высокочастотный ультразвук малой интенсивности (0,2–1 Вт/см2) вызывает сосудорасширяющий эффект, большой (> 3 Вт/см2) – сосудосуживающий. При этом изменяется тонус артерий: ультразвук малой интенсивности дает гипотензивный эффект, при увеличении его интенсивности возникает артериальная гипертензия. Изменения в почках, печени, половых органах, эндокринных железах происходят в результате влияния ультразвука на гипоталамус, который регулирует деятельность внутренних органов рефлекторным и нейрогуморальным путями. Наблюдается изменение морфологической картины крови; уменьшается количество эритроцитов и лейкоцитов. Большинство исследований, проведенных на заре изучения действия ультразвука на биологические объекты, посвящено его «разрушительному» эффекту. Разрушительное действие ультразвука имеет лишь косвенное отношение к механизму его лечебного действия, т.к. величины ультразвуковой лечебной процедуры очень далеки от повреждающих доз этого фактора. Однако анализ экспериментальных данных, полученных при изучении влияния ультразвука высокой интенсивности, представляет большой интерес и может в определенной степени характеризовать механизм его лечебного действия. Распространение ультразвука происходит путем периодического сжатия и разрежения среды. Если интенсивность волн достаточно велика, то в местах разрежения происходит разрыв жидкости с образованием полых пространств – кавитационных пузырьков, в которые немедленно проникают растворенные в жидкости газы. Эти пузырьки быстро «захлопываются», спадают под влиянием наступающего последующего сжатия, что сопровождается местным повышением температуры, развитием больших механических сил, достаточных для разрушения находящихся в жидкости биологических объектов. Этот феномен вошел в литературу под названием «явления кавитации». ^ Кавитация представляет собой процесс неустойчивого изменения размеров парогазовых пузырьков при знакопеременном давлении в жидкости. Расширение пузырьков происходит при существовании в жидкости растягивающих или отрицательных давлений, а их сжатие – при положительных давлениях, превосходящих равновесное значение. Значения растягивающих давлений, при которых возможны разрыв жидкости и образование новой фазы – парогазового пузырька для чистых жидкостей, – определяются силой межмолекулярных связей. Поскольку работа по образованию новой поверхности единичной площади определяется поверхностным натяжением а, а расстояние, на которое надо раздвинуть частицы среды для разрыва межмолекулярных связей, равно приблизительно удвоенному расстоянию между соседними молекулами r, минимальное критическое растягивающее давление  . (4.1)Оценка по формуле (4.1) дает значения давления порядка десятка тысяч атмосфер [32]. Учет температурных флуктуаций, нарушающих однородную структуру жидкости и, следовательно, снижающих ее прочность на разрыв, согласно Зельдовичу, дает выражение  , (4.2)где Р0 – равновесное давление в жидкости; Рп – давление насыщенного пара; k – постоянная Больцмана; νА – константа, варьируемая от 1014 до 1036. Столь широкое изменение константы мало влияет на кавитационную прочность, поскольку она входит в (4.2) множителем (ln νА)-1/2. Поэтому использование значения νА= 1025 дает погрешность Рk, не превышающую 20%. Использование формулы (4.2) по сравнению с (4.1) на порядок снижает значение Рk, однако в реальных жидкостях экспериментальные измерения дают значения, не превышающее нескольких сотен атмосфер. Столь значительное расхождение экспериментальных и теоретических оценок критического растягивающего давления обусловлено присутствием в жидкости так называемых зародышей кавитации в виде парогазовых микропузырьков или твердых не смачиваемых частиц. Микропузырьки могут возникнуть даже после тщательнейшей очистки и дегазации жидкости в результате воздействия частиц высоких энергий [3, 6, 8]. Стабильное существование пузырьков в жидкости не является очевидным, поскольку крупные пузырьки должны всплывать, а пузырьки малого размера растворятся из-за высокого избыточного давления 2σ/R0. Стабилизация микропузырьков может быть объяснена наличием на их поверхности одноименных зарядов, отталкивание между которыми предотвращает смыкание пузырька. Образование зарядов определяется адсорбцией ионов на поверхности пузырька, обуславливающей отрицательную гидратацию, поскольку эти ионы (К+, Р  , Cl, Br, I) уменьшают локальную плотность, как бы раздвигая молекулы воды, подобно гидрофобным включениям. Согласно ионной теории, равновесие парогазового пузырька в жидкости определяется соотношением [3]: (4.3)где е – элементарный заряд; п – количество зарядов на поверхности; ε – диэлектрическая проницаемость жидкости. Используя формулу (4.3), можно получить выражение, описывающее зависимость критического давления от начального радиуса зародыша кавитации. Если под действием внешнего звукового поля с давлением Pа = Pтsin(ωt) радиус зародыша изменяется от R0 до R, то давление газа Pг (без учета диффузии через поверхность за короткое время) определяется изменением объема с учетом сжимаемости, а давление пара в пузырьке равно давлению насыщенных паров Pп . Пока Pа не достигает некоторого значения Pк, пузырек устойчив. При Pа > Pк пузырек начинает резко расти – жидкость разрывается. Значение критического радиуса Rк определяется из выражения:  . (4.4)Зависимость кавитационной прочности воды от размера начального радиуса парогазовых пузырьков показан на рис. 4.1. Сопоставление с экспериментальными данными указывает на отклонение от давления Pк только в области больших R0, когда частота f звукового поля больше собственной резонансной частоты fр для пузырька с радиусом Rр, определяемой по формуле Миннерта [8]:  Рис. 4.1. Зависимость кавитационной прочности воды от размера начального радиуса парогазовых пузырьков  .  (4.5)При этом движение пузырька имеет сложный пульсирующий характер с небольшими отклонениями размеров от начальных. Следовательно, для заданных давления и частоты звукового поля существуют минимальный Rk и максимальный Rр радиусы пузырьков, участвующих в кавитационном движении. Отсюда вытекает, что чем выше частота, тем меньших размеров должны быть зародыши кавитации и тем выше пороговое значение давления, отвечающее началу кавитации. ^ называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость. Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия. При импульсном ультразвуковом воздействии порог зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06...0,6 мкс. Порог кавитации повышается и при уменьшении объема жидкости, т.к. чем меньше объем, тем меньше в нем зародышей кавитации. Этим, очевидно, и объясняются высокие значения порогов для фокусированного ультразвука. Микронеоднородности в виде пылинок, микроорганизмов, молекул растворенного газа или ионов снижают порог кавитации в жидкой среде. При интенсивностях ультразвука, не намного превышающих порог кавитации, микропузырьки газа в жидкости пульсируют относительно равновесного радиуса и постепенно увеличиваются в объеме. При расширении пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженного давления, в пузырек испаряется жидкость и диффундирует растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости значительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии. При повышении давления в следующую половину периода колебания пузырек сжимается, направление диффузии меняется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, попадающего в пузырек при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. Поэтому после каждого цикла сжатия-растяжения в пузырьке остается избыток газа. Следовательно, при пульсациях пузырек представляет собой как бы трансформатор энергии: в течение периода растяжения он накапливает энергию пропорционально максимальному объему или R  , и затем в короткий промежуток времени она превращается в кинетическую энергию движения. Парогазовая смесь, находящаяся в полости, адиабатно сжимается до давлений порядка тысяч атмосфер, нагреваясь до температуры около тысячи кельвин. Количество газа в полости определяет тот минимальный радиус Rmin, до которого сжимается полость.Накопление газа в пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной или направленной диффузией. Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост зародышей, и при высокой частоте ультразвука они успевают совершить значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) будет максимальной. Размер резонансной полости в воде для частоты ультразвука в диапазоне 500... 1000 кГц можно рассчитать по формуле Rрез=3000/f , (4.6) где Rрез – резонансный радиус пузырька, мкм; f – частота ультразвука, кГц. Для частот, превышающих 1 МГц, значения Rрез в связи с возрастающей ролью поверхностного натяжения оказываются несколько выше, чем вычисленные по приведенной формуле. Так, при частотах 1, 5 и 10 МГц в воде Rрез равен 3,6; 0,95 и 0,56 мкм соответственно, в то время как, рассчитывая по формуле, получаем величины, равные 3; 0,6 и 0,3 мкм. Необходимо отметить, что на частотах, превышающих 1 МГц, резонансные эффекты проявляются слабее, чем в диапазоне более низких частот. Колебательная скорость стенки пузырька, размеры которого близки к резонансному, может намного превышать колебательную скорость частиц в ультразвуковой волне, что позволило назвать, кавитационные пузырьки усилителями скорости. Если ультразвуковое поле неоднородно, то пузырьки не только пульсируют, но и движутся поступательно. В стоячей волне, например, пузырьки движутся к пучностям давления, если их размеры меньше резонансного, и к узлам давления, если они превышают по размеру резонансные пузырьки. Нередко пузырьки в ультразвуковом поле осциллируют – колеблются около некоторого положения равновесия. Пульсирующие в течение многих периодов пузырьки называются стабильными полостями, а само явление, связанное с существованием в жидкости таких пузырьков, – стабильной кавитацией. Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются. При очень большой скорости захлопывания полости отходящая при повторном расширении волна давления может иметь вид ударной волны, давление в которой изменяется обратно пропорционально расстоянию от полости r. Характерная расчетная кривая, показывающая образование ударной волны, приведена на рис. 4.2. Расстояние, на котором образуется ударная волна, определяется значением максимального давления в полости и соответствует выражению  (4.7)где Рmах составляет тысячи атмосфер. Из формулы (4.7) можно вычислить, что при Рmах > 1000 атм. ударная волна образуется на расстоянии (5÷6) Rmin. Давление ударной волны имеет непрерывный Фурье-спектр, изменяющийся на высоких частотах как f -2. Предполагается, что при захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 300105 Па (300 атм.) и нагревается до температур порядка 8000... 12000 К.  Рис. 4.2. Изменение формы ударной волны во времени от момента захлопывания полости (в единицах R/с0): 1 – 0,1; 2 – 1,1; 3 – 2,1; 4 – 3,7; 5 – 7,2; 6 – 16,0 для значений Ро=106 Па, Pп = 102 Па, γ=1,4 Известно, что уже при 2000 К около 0,01% молекул Н2О внутри пузырька диссоциируют на водородные Н и гидроксильные ОН свободные радикалы. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул Н2О*: Н+ОН→Н2О* При переходе молекул Н2О* из электронно-возбужденного состояния в основное высвечивается квант света – происходит сонолюминесценция. Свободные Н и ОН радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы. ^ При работе мощного ультразвукового излучателя в технологическом объеме жидкости возникает кавитационная область, представляющая собой скопление кавитационных пузырьков. Форма кавитационной области определяется характером звукового поля в объеме среды, причем кавитация образуется как на границе раздела фаз, так и в самой жидкости, принимая иногда вид кавитационных тяжей – цепочечного типа скоплений кавитационных пузырьков. В настоящее время отсутствует удовлетворительная модель кавитационной области, поскольку распределение пузырьков по размерам и пространству объема не имеет четко выраженного статистического характера. Сложная многофакторная зависимость кавитационной области от частоты и интенсивности первичного звукового поля, распределения зародышей кавитации, газосодержания, межфазных границ, параметров среды и т.д. не позволяет аналитически описать кавитационные эффекты. Например, не ясна природа образования кавитационных тяжей, хотя сильная зависимость их формы от частоты позволяет предположить влияние интерференционной структуры ближнего поля излучателя, которая является единственным фактором, резко реагирующим на небольшие изменения частоты. Поэтому характеристика кавитационной области имеет преимущественно описательный вид, основывающийся на экспериментальных данных. Однако часть качественных результатов для кавитационной области можно получить, исходя из проведенного в предыдущем разделе анализа динамики единичной кавитационной полости. Правомерность переноса закономерностей, характерных для полости, на всю область можно оценить, исходя из учета взаимовлияния соседних полостей [33]. Поскольку пульсации пузырька создают радиально расходящийся поток жидкости, скорость этого потока у поверхности соседнего пузырька определяет степень воздействия одного пузырька на другой. Считая, что два соседних пузырька одного радиуса R колеблются синфазно на расстоянии а между их центрами, условием отсутствия взаимодействия можно считать случай, когда скорость  потока, создаваемого от движения первого пузырька у поверхности второго, пренебрежимо мала по сравнению со скоростью с движения поверхности второго пузырька:V/c << 1. (4.8) Выражение для скорости потока от сферического источника имеет вид V (r) = ψ/r  , (4.9)где r – текущая координата; ψ – функция, определяемая из граничных условий. Так как V=с при r=R, то ψ = cR2. Подставив выражение для ψ в (4.9), получим V (r) = c(R/r)2. (4.10) Тогда, используя (4.10), условие отсутствия взаимодействия (4.8) запишем как (R/r)2 << 1 . (4.11) Считая, что знак << указывает разницу не менее чем на порядок, а Rmах – максимальное значение радиуса пузырька, получим критические значения: r  =3Rmах и a = 4Rmах. (4.12)Расстояние между пузырьками в кавитационной области определяется количеством пузырьков в единичном объеме, составляющем 106–107 см-3 в области развитой кавитации, что примерно в 105 раз превосходит количество зародышей кавитации в объеме 101–102 см-3, причем установление кавитационного режима происходит почти мгновенно с наложением звукового поля. Это возможно лишь в том случае, когда процесс возникновения кавитационных пузырьков представляется в виде цепной реакции. Известно, что при захлопывании кавитационная полость может терять устойчивость и распадаться на части. Поскольку разрушение происходит в стадии, когда давление и температура в полости максимальны, очевидно, что и в образовавшихся осколках давление и температура также повышены. В полупериод растяжения они легко расширяются и являются новыми зародышами кавитации, а затем в свою очередь тоже порождают новые зародыши кавитации. Увеличение давления ведет к увеличению количества полостей и их радиусов до тех пор, пока не изменится качественно захлопывание пузырьков. Если захлопывание происходит не в каждый период, увеличение времени между захлопываниями может вести к частичной коагуляции «осколков» (например, под действием сил Бьеркнеса) и количество «осколков», а, следовательно, кавитационных пузырьков уменьшается. Степень развитости кавитации принято характеризовать индексом кавитации, предложенным Розенбергом [8]: K = ∆V/V, (4.13) где ΔV – суммарный объем кавитационных пузырьков в фазе их наибольшего расширения; V – объем жидкости, удовлетворяющий условиям:
Работа, совершаемая N пузырьками с одинаковым максимальным размером, может быть записана в виде [34]:  (4.14)Индекс кавитации является мерой пространственной плотности потенциальной энергии, запасенной кавитационными пузырьками в данном объеме. Измерения индекса кавитации в локальной зоне, осуществляемые с помощью покадровой обработки результатов скоростной киносъемки зоны кавитации, показывают, что при превышении амплитудой звукового давления порогового значения он быстро достигает значений, близких к единице. При этом в фазе максимального расширения практически вся рассматриваемая зона занята кавитационными пузырьками, вытеснившими капельную жидкость. Увеличение звукового давления ведет к уменьшению количества пузырьков при возрастании их размеров, поэтому индекс кавитации почти не меняется. В стационарном режиме, соответствующем неизменным внешним условиям, локальный индекс кавитации ^ в предельном случае как функцию точки, можно ввести понятие среднего (по объему кавитационной области) индекса кавитации <�К> в виде  (4.15)Величину <�К> достаточно просто определить экспериментально дилатометрическим методом, используя герметичный, полностью заполненный жидкостью объем, снабженный градуированным капилляром. При наложении звукового поля образующиеся пузырьки вытеснят в капилляр объем жидкости, равный их суммарному объему в кавитационной области. Экспериментальные данные показывают, что средний индекс кавитации даже в полях мощных фокусирующих излучателей не превосходит 0,15, хотя в локальных участках кавитационной области К может быть близок к единице. Лавинообразное развитие кавитации определяет быстрый рост К до достижения максимального значения с увеличением первичного звукового давления. Затем происходит медленное уменьшение К, поскольку, с одной стороны, уменьшается количество неустойчивых полостей и, следовательно, количество вновь образующихся при их захлопывании зародышей кавитации, а с другой стороны, происходит рост объема пузырьков в результате их многократных пульсаций и за счет коагуляции. Используя соотношения (4.12), можно получить оценочное критическое значение индекса кавитации, при превышении которого необходим учет взаимодействия пузырьков. Выразим ΔV и V в пересчете на один пузырек:   (4.16)Тогда критическое значение  . (4.17)С учетом несинфазности колебаний пузырьков и времени их взаимодействия условие (4.17) можно смягчить, считая Kк=0,3. Полученная оценка достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными. На рис. 4.3 сопоставлены расчетные зависимости изменения радиуса пузырька и экспериментальные измерения по результатам скоростной киносъемки пузырька при различных значениях индекса кавитации.  б Рис. 4.3. Характер пульсаций парогазового пузырька с начальным радиусом R0 =10÷4 см на частоте 15 кГц (а) и измерение звукового давления во времени (б): 1 – Рт=1.75105 Па, k>0,04; 2 – Рт=2105 Па, k~0,35; 3 – Рт=2,75105 Па, k =0,85. Сплошные линии – результаты числового расчета, точки – экспериментальные данные Совпадение максимального радиуса пузырька с расчетным значением для всех значений К показывает, что энергия, запасаемая пузырьком, в сравнительно медленном процессе расширения не зависит от присутствия соседних пузырьков. В то же время на стадии захлопывания при значении К=0,85 (кривая 3) наблюдается расхождение экспериментальных и расчетных значений радиуса почти на порядок. Это объясняется тем, что при больших скоростях захлопывания и малых промежутках между пузырьками потоки жидкости приобретают большую скорость, в результате чего падает Бернуллиевское давление вблизи пузырька и процесс захлопывания замедляется. Таким образом, при К < 0,3, что имеет место в большинстве практических случаев, можно с полным основанием использовать закономерности, полученные для одиночной полости при рассмотрении кавитационной области. Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:
Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел и свечение. ^ В медицинской и ветеринарной практике, в биотехнологии и экспериментальной биологии используется воздействие ультразвуком самых разных параметров на среды с неодинаковыми физико-химическими свойствами. В каждом случае вопрос о возможности возникновения кавитации должен рассматриваться отдельно, т.к. пороги кавитации и ее активность зависят от параметров ультразвука и свойств среды. Кавитация в суспензии клеток При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Обычно появление значительных механических возмущений в жидкостях связано с возникновением в них стабильных и нестабильных газовых пузырьков, которые могут образоваться в воде и водных средах, если интенсивность ультразвука превышает порог кавитации. Так, клетки одноклеточной водоросли Scandesmus Guadricanda начинают разрушаться при усредненной по пространству интенсивности, равной 0,2…0,3 Вт/см2, при частоте 1 МГц, что соответствует порогу кавитации в водных суспензиях с небольшой концентрацией клеток. Скорость разрушения клеток увеличивается с увеличением интенсивности ультразвука. Число разрушенных в единицу времени клеток пропорционально числу кавитационных событий. Свечение фотобактерий в суспензии или синтез интерферона лейкоцитами резко подавляется при возникновении ультразвуковой кавитации. Подавление кавитации каким-либо способом обычно защищает клетки от разрушения и даже от более тонких изменений. Скорость разрушения амебы Actanamoeba castellanii уменьшается, если облучать импульсным ультразвуком клетки, суспендированные в растворе желатина, порог кавитации в котором из-за его большой вязкости значительно выше, чем в воде. Этим же объясняется снижение скорости ультразвукового разрушения эритроцитов при увеличении их концентрации, вплоть до почти полной остановки гемолиза, если суммарный объем частиц в суспензии достигает 2%, что соответствует высоким значением эффективной вязкости среды. Самого факта появления пульсирующих газовых пузырьков в среде еще недостаточно для разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсаций пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток и зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазматической мембраны и наличия цитоскелета. Разрушение лейкоцитов в поле стабильных, пульсирующих с частотой 20 кГц пузырьков начинается при увеличении амплитуды колебаний до 8 мкм, высвобождение гемоглобина из эритроцитов – при 15...20 мкм. Очевидно, что эти эффекты обусловлены возникновением достаточно больших гидродинамических усилий вблизи колеблющегося пузырька, нарушающих целостность клеточных мембран. При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из популяций элодеи равен 75 мВт/см2 и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см2 (5 МГц). Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, в биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран. Кавитация в тканях под действием низкочастотного ультразвука В ряде случаев для получения требуемого биологического эффекта используют непрерывный ультразвук довольно большой мощности, с частотой 20...44 кГц. Источником такого ультразвука являются, например, хирургические инструменты, режущая кромка которых вибрирует с ультразвуковой частотой, что существенно облегчает резание тканей; вибрирующие инструменты для стоматологии и пр. Амплитуды колебания ультразвуковых хирургических инструментов в рабочем режиме достигают весьма больших значений, при которых вероятность возникновения кавитации в тканях весьма велика. Подтверждением этому может служить слабый характерный шум при иссечении мягких тканей, аэрозоль (туман), образующийся при разрушении папиллом ультразвуковым зондом, ультразвуковое свечение. Кавитация в тканях под действием высокочастотного ультразвука Вопрос о кавитации в биологических тканях под действием ультразвука с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05...2 Вт/см2 является предметом многолетней дискуссии. Сложность идентификации кавитации в ткани обусловлена ее относительной непрозрачностью, препятствующей непосредственному наблюдению и затрудняющей применение оптических методов. Факт протекания кавитационных процессов в данной среде может быть надежно установлен при одновременном появлении, по крайней мере, трех эффектов, сопровождающих кавитацию: характерного шума, ультразвуковых химических реакций или свечения, микропотоков. Косвенным подтверждением возможного возникновения кавитации в тканях могут служить «дыры», обнаруженные на гистологических препаратах тканей печени и других органов, облученных ультразвуком с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05...2Вт/см2. Пороги кавитации для фокусированного ультразвука в тканях не более чем в 1,5–2 раза выше, чем в отстоявшейся водопроводной воде. Если это соотношение сохраняется и для плоской бегущей волны, то кавитацию в тканях можно ожидать при интенсивности, превышающей 0,6 Вт/см2, так как теоретический порог кавитации в воде около 0,3Вт/см2. Основными признаками акустической кавитации в воде и водных средах, насыщенных воздухом, помимо характерного шума можно считать ультразвуковое свечение и синтез Н2О2 , H2NO2, H2NO3, а также свободных радикалов и других химически активных частиц. Эти явления наблюдаются в воде и разбавленных водных растворах при интенсивности 0,3 Вт/см2 (SA), а в плазме крови при 0,8 Вт/см2. Очевидно, что под действием ультразвука химически активные частицы могут образоваться непосредственно в клетке. Это мало отразится на картине ультразвукового повреждения, но может привести к самым неожиданным последствиям – нарушению обменных процессов в клетке, изменению ее наследственного аппарата и т.п. Пожалуй, только при ультразвуковом воздействии источник свечения – кавитирующий пузырек – может находиться вблизи или внутри самой клетки. Влияние этого излучения, особенно его ультрафиолетовой составляющей, может обусловить, в зависимости от интенсивности и условий облучения, стимуляцию и повышение жизнеспособности клеток, находящихся в угнетенном физиологическом состоянии, торможение деления клеток и их отдаленную гибель, увеличение проницаемости клеточных мембран, конформационные изменения в молекуле ДНК, инактивацию некоторых ферментов и другие эффекты. Измерение интенсивности ультразвукового свечения в оптически плотных тканях животных затруднительно, а идентификация образующихся в ультразвуковом поле частиц химическими или биохимическими методами практически невозможна, что обусловлено их малой концентрацией и высокой химической активностью. Использование в качестве модели относительно прозрачной ткани клубня картофеля позволяет измерить в ней интенсивность ультразвукового свечения и определить пороги кавитации, сопровождающейся образованием химически активных частиц и, очевидно, другими, свойственными кавитации, эффектами. Для определения порога кавитации клубень картофеля нарезают на пластинки толщиной 0,05...0,25 см. Пластинки «притирают» к поверхности излучателя ультразвука, слегка смоченного водой для обеспечения акустического контакта. Свечение ткани регистрируют с помощью фотоумножителя (рис. 4.4). Химически активные частицы в тканях при ультразвуковой кавитации определяют по свечению пластинок, предварительно вымоченных в течение нескольких часов в растворе люминола. Реакция люминола с пероксидом водорода или ОН-радикалами, как известно, с  опровождается характерным голубовато-зеленым свечением. Рис. 4.4. Регистрация свечения ткани 1 – фотоэлектронный умножитель; 2 – исследуемая ткань; 3 – источник ультразвука При облучении ткани клубня картофеля непрерывным ультразвуком с частотой 880 кГц свечение возникает при интенсивностях 0,3...0,4 Вт/см2 (SA) и усиливается с увеличением интенсивности ультразвука. Характер зависимости свечения ткани картофеля от интенсивности ультразвука сходен с аналогичной зависимостью для воды и водных растворов. Очевидно, что в обоих случаях ультразвуковое свечение обусловлено кавитацией. Дополнительным свидетельством этому служит шум в ткани картофеля, регистрируемый с помощью гидрофона на частоте первой субгармоники (табл. 4.1), а также интенсивное свечение, возникающее при ультразвуковом облучении образцов, пропитанных люминолом. Таблица 4.1 Пороги ультразвуковых эффектов
Оно обусловлено взаимодействием люминола с Н2О2 и ОН-радикалами, которые образуются при ультразвуковой кавитации. Минимальное значение интенсивности ультразвука, вызывающее это свечение, также равно 0,3...0,4 Вт/см2. С  равнение приведенных данных с зависимостью порога возникновения ультразвукового свечения от вязкости растворов глицерина (рис. 4.5) показывает, что пороги кавитации в ткани и в растворах с вязкостью 0,25 Пз одного порядка. Рис. 4.5. Зависимость порога кавитации от вязкости (в растворах глицерина) Вязкость цитоплазмы достигает (предположительно) 1 Пз. Однако снижению порога кавитации в тканях и обусловленное внутриклеточными микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого, как указывалось выше, может способствовать их гетерогенность, а также обусловленное внутриклеточными микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого. Зависимость ультразвукового свечения ткани от ее толщины имеет периодический характер (рис. 4.6), что обусловлено возникновением стоячих волн при высотах, кратных половине длины волны. Исходя из этих данных и зная частоту ультразвуковых колебаний, можно оценить скорость ультразвука в ткани клубня картофеля. Она оказалась равной 1,6103 м/с, что, по крайней мере, в пределах точности измерения не противоречит справочным данным. Порог кавитации в жидкости заметно повышается при уменьшении облучаемого ультразвуком объема. Аналогичная зависимость очевидно существует и в биологических тканях, где порог кавитации при фокусировании ультразвука возрастает до значений, превышающих 10 Вт/см2. Столь высокие интенсивности ультразвука в  ызывают необратимое разрушение ткани в фокальной области. Рис. 4.6. Зависимость интенсивности ультразвукового свечения ткани от ее толщины Кавитация в тканях под действием «диагностического» ультразвука В последнее время ультразвуковые методы все более широко применяются в медицине и ветеринарии. При этом соображения безопасности стимулируют постоянное снижение интенсивности диагностического ультразвука при разработке новых методов, а для увеличения информативности и разрешающей способности ультразвуковых методов требуется применение коротковолнового (высокочастотного) ультразвука. Однако с повышением частоты увеличивается поглощение ультразвука тканями, и для визуализации внутренних органов необходим достаточно интенсивный ультразвук, обеспечивающий уверенный прием отраженного от глубоколежащих тканей сигнала. Поиски компромисса привели к использованию в диагностике либо непрерывного ультразвука относительно низкой частоты (1...2 МГц) и невысокой интенсивности (меньше 0,05 Вт/см2), либо импульсного высокочастотного (до 10 МГц), мощного (до 500Вт/см2) ультразвука с короткой длительностью импульсов (2...5 мкс) и невысокой частотой их чередования (1 кГц). Несмотря на высокую интенсивность в импульсе, усредненная по времени и пространству интенсивность в этом случае не превышает тысячных долей Вт/см2. Вероятность возникновения кавитации в таких условиях пренебрежимо мала. |
хорошо
1
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям