книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

со здоровой тканью. Механизм селективной ультразвуковой дезинте­ грации новообразований может быть представлен в виде следующей цепочки: появление интенсивных сдвиговых волн на границе между слоями, отличающимися по модулю сдвига образование в зоне раз­ дела разрывов, заполняемых микропузырьками газа рост и раскач­ ка газовых пузырьков, приводящие к возникновению дополнитель­ ных разрывных усилий появление газовой фазы между слоями, ло­ кализующей ультразвуковое воздействие в пределах одного слоя селективная дезинтеграция.

Очевидно, что эффективность ультразвукового разделения слоев двухслойной полужидкой структуры и селективность разрушения слоя, в который введен волновод, зависят от различий в модулях сдвига этих слоев.

Способность ультразвука при достаточно высокой плотности энергии разрушать клетки тканей, эмульгировать жир, снижать эф­ фективную вязкость веществ используется в липосакции - вакуум­ ном удалении подкожного жира после его ультразвуковой дезинтегра­ ции. Этот метод сегодня наиболее популярен при проведении хирур­ гической коррекции фигуры. Последние исследования показали, что дезинтегрированный ультразвуком подкожный жир вовсе необяза­ тельно удалять искусственно. Он сам в течение нескольких дней вса­ сывается в кровь без каких-либо дополнительных процедур или при­ менения лекарственных препаратов и выводится естественным путем. Ультразвуковой метод одновременно подтягивает кожу, делает ее гладкой и эластичной.

Если твердое тело или ткань граничат с жидкой средой - водой, физиологическим раствором, раствором антибиотиков или других ле­ карственных веществ, то ультразвук вызывает в жидкости на границе раздела появление интенсивных потоков с большими градиентами скоростей. В результате этого поверхность очищается, а вещество из раствора быстро диффундирует в ткань. Этот эффект широко исполь­ зуется в хирургии для мытья медицинских инструментов, рук хирур- га-оператора, для санитарной обработки полостей и ран.

Для санации полостей в организме или глубоких ран их заполня­ ют раствором антибиотика и погружают в раствор ультразвуковой инструмент - дезинтегратор, рабочая часть которого представляет собой цилиндрический волновод диаметром в 3...5 мм. Для предот­ вращения травмирования инструментом слизистых оболочек в за­ крытых полостях, где визуальный контроль затруднен или невозмо­ жен, рабочий конец волновода ограждают устройством из крупно­ ячеистой защитной сетки.

Если необходимо санировать поверхностные раны, то вокруг них выкладывают стенку из размягченного пчелиного воска или прижи­

мают к коже, окружающей рану полый пластмассовый или стеклян­ ный цилиндр, в который и наливают раствор антибиотика.

Иногда обработку раны проводят, постоянно подавая раствор ле­ карственного вещества так, чтобы слой раствора оказывался между волноводом и раневой поверхностью.

Под влиянием колеблющегося ультразвукового инструмента, введенного в раствор, в нем возникают неустойчивые кавитационные полости. Пульсации и охлопывание этих полостей приводят к появле­ нию энергичных микротечений и ударных волн. Эта совокупность ка­ витационных эффектов обеспечивает смыв с поверхностей полостей и ран отмерших частиц тканей, фибринозных и других отложений, а также клеток болезнетворных микроорганизмов. Часть микроорга­ низмов разрушается в кавитирующей жидкости, часть гибнет под дей­ ствием растворенного антибиотика.

Следует отметить, что после воздействия ультразвуком жизнеспо­ собность оставшихся целыми бактериальных клеток заметно подавля­ ется, резко снижается их способность размножаться и образовывать колонии, в 2-4 раза увеличивается чувствительность к действию большинства антибактериальных препаратов.

Обработка низкочастотным ультразвуком раневых поверхностей и слизистых оболочек через растворы фармакологических препаратов приводит не только к очистке и обеззараживанию поверхностей, но и к фонофорезу и депонированию лекарственных веществ в тканях. Кроме того, благодаря сосудорасширяющему действию ультразвука улучша­ ется снабжение тканей кровью, ускоряются обменные процессы, акти­ вируются макрофаги, сокращаются сроки заживления ран, уменьшает­ ся вероятность осложнений. Например, при кишечнополостных опера­ циях санация полости более чем вдвое сокращает число случаев гибели от перитонитов.

Совокупность эффектов, обусловливающих полезные свойства ультразвуковых инструментов, стала основой их применения в стома­ тологической практике. Ультразвук, использованный впервые в 1955 г. для удаления зубных камней, в дальнейшем стали применять для очистки, санации и шлифовки поверхности зубов. Разработаны специальные стоматологические методы фонофореза и электрофонофореза, позволяющие существенно повысить концентрацию лекарст­ венных веществ в тканях, окружающих корень зуба.

Традиционные ультразвуковые инструменты оказались весьма полезными и удобными при челюстных операциях. Их кровоостанав­ ливающее и аналгезирующее действие ярко проявляется при операци­ ях на пронизанной кровеносными сосудами и богатой болевыми ре­ цепторами слизистой рта.

Ультразвуковые ванны широко используются для санитарной очистки стоматологических инструментов, изделий зубных техников

и т. д. Следует отметить и появление ультразвуковых зубных щеток, легко очищающих даже стойкий налет с поверхности зуба.

Применение низкочастотного ультразвука также весьма перспектив­ но в ветеринарной хирургии. Наряду с использованием хирургического инструмента для оперативных вмешательств, санации ран и полостей, ускорения полимеризации биологических клеев для бесшовного соеди­ нения краев ран представляет интерес использование специальных ульт­ развуковых ванн для лечения ряда болезней копыт и копытец, принося­ щих ощутимый урон промышленному животноводству.

4.2. ХИРУРГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ФОКУСИРОВАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ

НА ВНУТРЕННИЕ СТРУКТУРЫ ОРГАНИЗМА

Фокусированный ультразвук нашел применение в медицинской хирургической практике для решения ряда специфических задач. В практической ветеринарии он пока не используется, поскольку это требует стационарных условий и специальной техники. В то же время воздействие фокусированным ультразвуком широко применяется в практической медицине для разрушения небольших образований в глубине организма без травмирования окружающих тканей и наруше­ ния целостности кожных покровов, а также в экспериментальной био­ логии для получения информации, необходимой при разработке но­ вых методов диагностики и лечения.

4.2.1. Фокусирование ультразвука

Интенсивность ультразвука, излучаемого пьезопреобразовате­ лями, обычно не превышает 10 Вт/см2, поэтому если в некотором ог­ раниченном объеме требуется получить ультразвук более высоких интенсивностей, его фокусируют, используя излучатели с вогнутой поверхностью, вогнутые отражатели ультразвука, ультразвуковые линзы или системы, состоящие из нескольких отдельных излучате­ лей, управляемых с помощью компьютера и расположенных так, что­ бы излучаемые ими ультразвуковые лучи пересекались в нужном месте пространства. Чаще всего используют керамический излуча­ тель, представляющий собой часть сферы и фокусирующие ультра­ звуковую энергию в области центра кривизны излучающей поверх­ ности (рис. 4.2).

Фокальная область представляет собой эллипсоид вращения, вы­ тянутый в направлении распространения ультразвуковых волн. Диа­ метр фокального пятна зависит от частоты ультразвука и уменьшает­ ся с ее увеличением. Теоретически в среде, не поглощающей ультра­ звук, через фокальную область проходит не более 84 % энергии от

Рис. 4.2. Геометрические характеристики сферического излучателя и фокусированного ультразвукового поля:

К - радиус излучателя; Р -фокусное расстояние; к - глубина; а - угол раскрытия; г и / - радиус и длина фокальной области соответственно

излучателя. Очевидно, что в тканях, коэффициент поглощения кото­ рых всегда отличен от нуля, эта величина еще меньше.

Точная форма области разрушения ткани зависит от ее структуры и свойств. В однородной ткани очаг разрушения по форме напоминает эллипсоид. Если же облучаемый участок состоит из различных тка­ ней, отличающихся чувствительностью к ультразвуку, то предсказать заранее форму пораженной зоны оказывается весьма непросто. При воздействии на мозг, например, селективно может быть разрушено бе­ лое вещество, так как серое вещество и сосудистая система менее чув­ ствительны к ультразвуку.

В последнее время в практику входят также фазированные решет­ ки-излучатели, содержащие ряд отдельных пьезоэлементов, возбуж­ даемых поочередно в соответствии с особым алгоритмом. Такие элек­ тронно-управляемые решетки позволяют фокусировать ультразвук в нужном месте пространства.

Современные фокусирующие системы позволяют получать в фо­ кальной области ультразвук с интенсивностью, измеряемой десятка­ ми тысяч Вт/см2.

Характеристики ультразвука в фокальной области легко оценить, зная размеры и радиус кривизны керамического преобразователя, а также частоту ультразвука и его интенсивность у излучающей поверх­ ности. Так, радиус фокальной области определяют по формуле

г0 =0,61— ,

К

где Р - расстояние от фокальной области до излучателя; К - радиус кривизны излучателя; Я, - длина ультразвуковой волны.

рактеристики которой близки к характеристикам биологических сред. Разработано много методов измерения интенсивности ультразвука, в том числе и фокусированного, но удобнее всего пользоваться радиомет­ рическим методом, с помощью которого измеряют давление звука на пластинку, подвешенную к коромыслу весов и опущенную в воду.

Общая мощность излучателя V/ связана с действующей на поверх­ ность пластинки силой /'простым соотношением IV» А/для отражающей поверхности и соотношением У/~2кРддя поглощающей поверхности.

Если силу измерять в граммах, то к = 7,35. Средняя интенсивность в фокальной области

]у

/ = 0,84— , 5

где 5 = тсгд - площадь поперечного сечения фокальной области. Ко­

эффициент 0,84 указывает на то, что в фокальную область попадает 84 % всей энергии, излучаемой преобразователем.

4.2.2. Биологическое действие фокусированного ультразвука

Действие фокусированного ультразвука на клетки и ткани обу­ словлено теплотой, выделяющейся при поглощении акустической энергии, и механическими возмущениями в среде. Оба фактора действуют совместно, однако, в зависимости от интенсивности ультразвука и условий воздействия, один из них может превалиро­ вать над другим.

Необходимо отметить, что пороги биологического действия пло­ ской ультразвуковой волны значительно ниже порогов действия фо­ кусированного ультразвука на те же структуры. По-видимому, это обусловлено сравнительно малым объемом фокальной области. Из­ вестно, например, что кавитационная прочность воды и мягких биоло­ гических тканей при фокусировании ультразвука и уменьшении раз­ меров области воздействия резко возрастает (см. § 1.13).

При относительно малых интенсивностях в фокальной области (0,4...300 Вт/см2) и импульсном режиме воздействия можно наблю­ дать возбуждение одиночных тканевых рецепторов и возникновение спайковой активности у черноморских скатов, раздражение централь­ ных нервных структур виноградной улитки, слуховых рецепторов ля­ гушки и человека и т. д. При несколько более высоких интенсивно­ стях ультразвука или при большей длительности импульса наблюда­ ется обратимое подавление активности нервных структур.

Инициирование обратимых изменений в отдельных структурах цен­ тральной нервной системы позволяет локализовать структуры, ответст­ венные за те или иные проявления в состоянии или поведении животно­

го, а в дальнейшем и управлять его поведением. Можно также обратимо отключать соответствующие центры для проведения хирургических опе­ раций без применения анестетиков и наркотических средств.

Тепловые эффекты, обусловливающие стойкие, необратимые, гис­ тологически регистрируемые изменения в фокальной области, возни­ кают в тканях при интенсивностях ультразвука, измеряемых сотнями и тысячами Вт/см2, и чем выше интенсивность ультразвука, тем мень­ ше времени требуется для разрушения ткани. Разрушения, вызывае­ мые тепловыми эффектами, проявляются в тканях не сразу после воз­ действия ультразвуком, а спустя 2...3 мин и в последующие 15...20 мин продолжают увеличиваться в размерах.

Немедленные изменения «под лучом» возникают при интенсив­ ностях ультразвука, превышающих пороги кавитации в мягких тка­ нях. При этом кровотечение, разрывы и гомогенизацию тканей в фо­ кальной области можно наблюдать и без применения тонких гистоло­ гических методов.

4.2.3.Использование фокусированного ультразвука

вэкспериментальной биологии и медицине

Возможность вызывать в тканях локальные обратимые и необра­ тимые изменения с помощью фокусированного ультразвука широко используется на практике. В частности, бесконтактное ультразвуко­ вое раздражение нервных структур на поверхности организма и в глубине тканей без нарушения целостности кожных покровов и, сле­ довательно, без оперативного вмешательства позволило определить пороговые амплитуды смещения частиц среды, вызывающие возбуж­ дение ряда нервных структур и обусловливающие разнообразные ощущения (табл. 4.2).

Часть исследований была выполнена на людях-добровольцах, в основном на авторах этих исследований, уверенных в невозможности случайного поражения жизненно важных нервных центров. Выбор объекта обусловлен тем, что только человек может сообщить о возни­ кающих у него ощущениях и описать их характерные особенности.

Раздражая ультразвуком чувствительные точки, можно вызвать практически все известные ощущения - прикосновения и боли, тепла и холода, щекотки и зуда; однако не все рецепторы качественно одина­ ковы. В одних, увеличивая интенсивность ультразвукового воздейст­ вия, можно последовательно вызвать тактильные, тепловые и болевые ощущения; в других - тактильные и тепловые; в третьих - только так­ тильные. Следовательно, используя фокусированный ультразвук, можно не только селективно воздействовать на отдельные рецептор­ ные структуры, но и исследовать различия в реакции одних и тех же структур при дозированном изменении величины стимула.

Результаты исследования реакций одних и тех же рецепторов на разные ультразвуковые стимулы при различных температурах окру­ жающей среды показали, что одни и те же воспринимающие нервные структуры обеспечивают ощущение тепла и холода, а появление того или иного ощущения зависит от соотношения температуры тела и температуры окружающей среды.

Исследования влияния фокусированного ультразвука на механо­ рецепторы животных - тельца Пачини и слуховые рецепторы - по­ зволили показать, что электрофизиологическая реакция этих струк­ тур возникает при механических смещениях окружающей среды, со­ ставляющих сотые доли микрометра. Эти смещения в 100-1000 раз меньше размеров воспринимающих структур.

Весьма многообещающи результаты исследования возможности возбуждать с помощью фокусированного ультразвука рецепторы внутреннего уха у больных с нарушением звукопроводящих путей. При подаче к нервным окончаниям внутреннего уха сфокусирован­ ных высокочастотных ультразвуковых колебаний, модулированных сигналом звуковой частоты, глухие начинают слышать.

Ультразвуковые воздействия с интенсивностью, превышающей 30 Вт/см2, при определенных условиях могут вызвать обратимые из­ менения в проводимости нервных волокон. Температура тела при этом увеличивается не более чем на 1 °С.

Необратимое подавление нервной проводимости интенсивным фо­ кусированным ультразвуком успешно используется для лечения весьма болезненных подкожных невром. Импульсный ультразвук с частотой 2,7 МГц и интенсивностью в фокальной области примерно 1700 Вт/см2 при воздействии на периферические нервы в непосредственной близо­ сти от невромы быстро снимает болевые ощущения.

Фокусированный ультразвук применяют в экспериментальной и практической медицине для торможения доброкачественного и злока­ чественного опухолевого роста.

Клетки опухолевых тканей разрушаются быстрее здоровых, что под­ тверждается гистологическими исследованиями. Через несколько дней после воздействия опухоли, как правило, размягчаются и уменьшаются в размерах. Ни роста опухоли, ни метастазирования или других отрицатель­ ных последствий после ультразвукового воздействия не наблюдается.

Следует, однако, отметить, что разрушение больших объемов опу­ холевых тканей часто приводит к летальному исходу в результате ин­ токсикации организма продуктами тканевого распада. У выживших, как правило, наблюдается рассасывание остатков опухолевых тканей и полное выздоровление.

Хорошие результаты при лечении опухолевых патологий дает ме­ тод ультразвуковой гипертермии, основанный на том, что клетки здо­ ровой ткани выдерживают нагревание до более высокой температуры, чем клетки опухоли. Один или несколько фокусирующих излучате­ лей позволяют обеспечить управляемый нагрев глубоко расположен­ ных опухолевых тканей и достаточно длительное время поддерживать их при температуре, превышающей 42 ’С.

Преимущество ультразвуковой гипертермии перед УВЧили СВЧ-нагревом состоит в том, что ультразвуковой нагрев может быть точнее локализован. Помимо чисто температурного, ультразвук обла­ дает и цитотоксическим действием.

Механизм гибели клеток под воздействием ультразвука при по­ вышенных температурах практически не изучен, и лишь предполага­ ется, что основной мишенью разрушающего действия ультразвука яв­ ляются цитоплазматические мембраны. Вероятно, дальнейшие иссле­ дования позволят достичь максимальной эффективности при использовании фокусированного ультразвука для лечения заболева­ ний опухолевой этиологии.

Недавно был разработан новый эффективный метод уничтоже­ ния опухолей головного мозга, не поддающихся обычному хирургиче­ скому лечению. В его основе принцип разрушения патологического образования фокусированным ультразвуком. Для фокусирования энергии в нужном месте на черепе пациента располагают несколько относительно слабых источников ультразвука. С помощью компью­ терной программы, в которую закладываются полученные с помощью томографии данные о структуре черепа и головного мозга пациента, рассчитываются направление и интенсивность ультразвуковых им­ пульсов так, чтобы только в опухоли они создавали достаточно высо­ кую плотность ультразвуковой энергии.

Одним из последних достижений в этой области можно считать разработку метода ультразвукового лечения рака простаты. Вся лечеб­ ная процедура заключается в проведении управляемого компьютером

воздействия фокусированным ультразвуком на опухоль под местной анестезией. Каждый сеанс длится около 45 мин. Новый метод лечения рака предстательной железы требует всего двух сеансов, тогда как при радиационной терапии положительный эффект достигается при двад­ цатикратном облучении. Кроме того, ультразвуковой метод эффек­ тивнее и значительно безопаснее для больного и окружающих.

Фокусированный ультразвук можно применять при лечении бо­ лезни Меньера. Сущность болезни состоит в нарушениях во внутрен­ нем ухе, что приводит к приступам головокружения. Ультразвук фо­ кусируется на латеральном полукружном канале уха и разрушает оп­ ределенные структуры в лабиринте. Для этого метода лечения очень важна точная дозиметрия, поскольку вблизи полукружного канала проходит лицевой нерв и разрушение этого нерва ведет к лицевому параличу. При удачном исходе операции пациенты на длительное вре­ мя избавляются от головокружений.

Перспективен новый простой и безопасный способ мужской сте­ рилизации, заключающийся в разрушении семявыводящего протока при помощи ультразвука. В отличие от традиционной вазэктомии, ультразвуковая стерилизация проводится без нарушения целостности покровных тканей. Семявыводящий проток фиксируют специальным зажимом, в который встроен излучатель ультразвука. Энергия ультра­ звука фокусируется под кожей на семявыводящем протоке, который в течение 20...50 с нагревается до 50 °, что приводит к гибели клеток и образованию спаек, полностью перекрывающих просвет. Методика испытана на экспериментальных животных.

Весьма перспективно использовать ультразвук и для коррекции деятельности отдельных структур головного мозга. Так, неконтроли­ руемые подергивания головы и конечностей, являющиеся симптома­ ми болезни Паркинсона, можно ликвидировать, нарушив деятель­ ность соответствующих глубинных участков мозга путем ультразву­ кового воздействия.

Вызванные с помощью фокусированного ультразвука локальные разрушения можно использовать не только для уничтожения патоло­ гических участков, но и для исследования роли отдельных структур мозга в процессе жизнедеятельности, а также для изучения структур­ ных связей в центральной нервной системе. Возможно, в ходе иссле­ дований на животных будут намечены новые подходы к лечению ряда болезней человека, а также к управлению продуктивностью и поведе­ нием сельскохозяйственных животных.

Для воздействия фокусированным ультразвуком на мозг животного в его черепе заранее готовят трепанационное отверстие, так как прохож­ дение ультразвука через неоднородную по структуре и неравномерную по толщине кость черепа приводит к сильной расфокусировке луча.

Однако в ряде случаев, в частности у крупных животных, удается выбрать участки черепа без резких изменений толщины и кривизны,