книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

Этим, однако, и ограничивается применение монохорда, поскольку ко­ лебания струны обладают слишком малой энергией и быстро затухают.

Наиболее удобными для исследовательских и практических це­ лей в ветеринарии, медицине, экспериментальной биологии и ультра­ звуковой технологии оказались электроакустические преобразовате­ ли, в частности пьезоэлектрические и магнитострикционные. Нашли применение также струйные излучатели - ультразвуковые свистки, преобразующие кинетическую энергию струи газа или жидкости в энергию акустических колебаний. Газоструйные излучатели наиболее эффективны для получения аэрозолей в больших объемах.

Излучатели ультразвука характеризуются мощностью излучения, частотой колебаний, направленностью излучения, коэффициентом полезного действия.

Наибольшее распространение в ультразвуковой медицинской тех­ нике получили пьезоэлектрические преобразователи. Позволяя полу­ чать акустические колебания в диапазоне частот от нескольких кГц до десятков и сотен МГц, они используются в аппаратах для ультразву­ ковой терапии, в диагностических приборах, применяемых в медици­ не и ветеринарии, в устройствах для ультразвуковой стимуляции биотехнологичесих процессов.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей осно­ ван на эффекте, открытом в 1860 г. Пьером и Жолио Кюри, наблюдав­ шими его у кварца и некоторых других кристаллов.

Если пластинку, определенным образом вырезанную из пьезо­ электрика, подвергнуть деформации, то на ее поверхности появятся электрические заряды. Это явление получило название прямого пьезо­ эффекта.

При внесении пластинки в электрическое поле она деформирует­ ся, и величина деформации линейно зависит от напряженности элек­ трического поля (обратный пьезоэффект). Переменное электриче­ ское поле вызывает периодические деформации в пьезоэлектрике, частота которых равна частоте изменения электрического поля. Ам­ плитуда деформации достигает наибольших значений, если частота переменного электрического поля совпадает с собственной частотой колебаний преобразователя, определяемой его размерами.

Периодические деформации пьезоэлектрического преобразовате­ ля и служат источником акустических волн.

В ветеринарии, биотехнологии и экспериментальной биологии наряду с высокочастотным ультразвуком используется и ультразвук низкой частоты, весьма эффективный для решения ряда практиче­ ских задач.

Ультразвук в диапазоне частот от самых низких и до примерно 100 кГц чаще всего получают, применяя магнитострикционные преоб-

ний, достаточных для разрыва кольцевой струи. После этого давле­ ние в резонирующем объеме снова падает ниже критического, и цикл повторяется.

Такой газоструйный излучатель ультразвука обеспечивает дроб­ ление захваченной струей воздуха жидкости на капли микронных раз­ меров, образующих стабильное облако аэрозоля.

1.14. ПРИЕМ НИКИ УЛЬТРАЗВУКА

Обнаружить в жидкости поле ультразвука относительно большой интенсивности достаточно просто по совокупности характерных при­ знаков: появлению на поверхности жидкости ряби, а при более высо­ ких интенсивностях и фонтана; по акустическим течениям, приводя­ щим к перемешиванию жидкости; по кавитации, сопровождающейся характерным шумом, ультразвуковым свечением, специфическими химическими реакциями, эрозией поверхности предметов в ультра­ звуковом поле; по выделению тепла, особенно на границах тел с отли­ чающимися акустическими сопротивлениями и т. д.

Измерить параметры ультразвука - его интенсивность, амплиту­ ду колебания, колебательную скорость и ускорение частиц в ультра­ звуковой волне, а также ультразвуковое давление - можно при помо­ щи специальных устройств - приемников ультразвука. Приемники, размеры которых намного больше длины волны ультразвука, дают ус­ редненные значения измеряемой величины, а структуру ультразвуко­ вого поля можно получить лишь с помощью приемников, размеры ко­ торых меньше длины волны.

В биомедицинской практике, как правило, учитывают частоту и интенсивность ультразвука, а также форму поля. В биотехнологии при использовании низкочастотного ультразвука измеряют плотность акустической энергии в среде.

Частота ультразвука обычно задается конструкцией и параметра­ ми излучателей. Частота не может быть выбрана произвольно, она должна соответствовать одной из частот, разрешенных Международ­ ной электротехнической комиссией.

В медицине и экспериментальной биологии для воздействия на организм с хирургической или терапевтической целью обычно ис­ пользуют ультразвук с частотами 22, 44, 880 кГц, 2,65 МГц, а также ультразвук более высоких частот в диапазоне 2... 10 МГц для примене­ ния в диагностике.

Природа ультразвуковых эффектов качественно одинакова в ши­ роком диапазоне частот, и лишь количественные различия приводят

к появлению характерных особенностей, оправдывающих условное деление ультразвукового диапазона на низкочастотный и высокочас­ тотный.

Биологическое действие ультразвука весьма существенно зависит от его интенсивности, меняя которую, можно получить любые эффек­ ты - от стимуляции до разрушения. Поэтому выбор, а значит, и изме­ рение интенсивности ультразвука требует особой тщательности.

Из множества разработанных к настоящему времени методов из­ мерения интенсивности ультразвука в медицине чаще всего использу­ ется радиометр (ультразвуковые весы), позволяющий определить ус­ редненную интенсивность по давлению звукового излучения.

Для более точных измерений используют калориметрический ме­ тод, основанный на измерении изменения температуры в теплоизоли­ рованном сосуде (термосе), заполненном поглощающим ультразвук веществом. Этот метод, так же, как и радиометрический, позволяет определить только средние значения интенсивности ультразвука и ха­ рактеризуется еще большей инерционностью.

Для измерения интенсивности ультразвука в разных точках поля и в тех случаях, когда необходимо знать характер быстрых изменений интенсивности ультразвука во времени, используют ультразвуковые приемники-зонды, размеры которых меньше длины волны.

Простейший по конструкции ультразвуковой зонд представляет собой дифференциальную термопару, один из спаев которой сенсибилизиро­ ван слоем эпоксидной смолы.

Пьезоэлектрические приемники ультразвука в жидких средах (гидрофо­ ны) значительно превосходят термо­ парные зонды по многим параметрам. Приемники этого типа преобразуют ультразвуковой сигнал непосредствен­ но в электрический. Их крайне малая инерционность позволяет воспроизво­ дить форму сигнала и, следовательно, получать информацию о его амплитуде, фазе, частоте и спектре.

Одна из простейших конструкций приемника ультразвука с цилиндриче­ ским пьезокерамическим приемным элементом (гидрофона) показана на рис. 1.10.

1.15. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

Ультразвуковое поле в однородной среде невозможно разглядеть невооруженным глазом. Однако в ряде случаев результат действия ультразвука на вещество сопровождается зримыми изменениями, что позволяет видеть форму и отдельные детали ультразвукового поля, иными словами, визуализировать его. Если, например, в жидкости, в которой взвешены мелкие частицы, возникает стоячая волна, то эти частицы, в зависимости от их свойств, концентрируются в пучностях или узлах, делая видимой структуру стоячей волны.

Если в подкрашенную воду опустить листок бумаги, то частицы краски тем быстрее будут диффундировать в бумагу, чем выше ин­ тенсивность ультразвука. Через короткое время на поверхности ли­ стка возникнут характерные пятна, по которым можно судить о рас­ пределении интенсивности ультразвука в поле.

Метод визуализации ультразвукового поля с помощью бумаги и красителя информативен, прост и дешев, но применим в основном для исследования ультразвуковых полей в жидких средах.

При изучении распространения ультразвука в биологических тка­ нях удобно применять метод визуализации, предусматривающий ис­ пользование в качестве модели ткани клубня картофеля и водного раствора К1. Ультразвук увеличивает проницаемость клеточных мем­ бран по отношению к растворенным веществам, в частности к ионам йода, которые проникают внутрь клеток картофельного клубня. По­ сле окисления ионов до атомарного йода образуются характерно окра­ шенные комплексы с крахмалом, содержащимся в пластидах. В меж­ клеточном пространстве крахмала практически нет.

Чтобы визуализировать ультразвуковое поле, образцы пра­ вильной формы (цилиндры, кубики), вырезанные из клубня кар­ тофеля, подвергают действию ультразвука, нарезают на тонкие (1 мм) пластинки, помещают на 7... 10 с в 1 моль раствор йодистого калия и на 2...3 с - в 3 % раствор перекиси водорода. В результате получаются окрашенные «срезы» ультразвукового поля в ткани клубня. Этим методом можно, например, визуализовать фокаль­ ное пятно фокусированного ультразвука, исследовать влияние ультразвукового хирургического инструмента на рассекаемую ткань (см. подразд. 4.1.2).

Список литературы

1. Гаврилов Л.Р., Цирульников Е.М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. Л-д.: Наука, 1980.

2. Ершов Ю Л., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.

3. Журавлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение. М.: Наука,

1977.

4.Маргулис МЛ. Звукохимические реакции и сонолюминесцен­ ция. М.: Химия, 1986.

5.Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.

6.Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкости / / Физи­ ческая акустика / Пер. с англ.; Под ред. У. Мэзона. Т. 3. Ч. Б. М.: Мир, 1967.

7.Эльпинер И.К. Биофизика ультразвука. М.: Наука, 1973.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

Диагностические методы, основанные на применении ультразвука, в по­ следнее время широко используются для получения информации о глубинных структурах живых организмов. Ультразвуковые методы применяют для изу­ чения некоторых особенностей строения клеток и клеточных органелл, для оценки механической прочности цитоплазматических мембран. Ультразвуко­ вые методы диагностики безвредны и весьма информативны. Это делает их ведущими среди физических средств интроскопии и функциональной диагно­ стики человека и животных.

История развития методов ультразвуковой диагностики насчитывает немногим более полувека. За этот период развились и выделились в самостоя­ тельные направления: ультразвуковая визуализация внутренних органов, по­ зволяющая обследовать состояние печени, желудка, поджелудочной железы, селезенки, почек, гениталий; ультразвуковая эхокардиография, обеспечиваю­ щая диагностику различных пороков сердца, нарушения центральной гемоди­ намики, а также проведение ряда других кардиологических исследований; эхоэнцефалография - комплекс методов для исследования головного мозга; ульт­ развуковая остеометрия, дающая возможность исследовать состояние костной структуры без нарушения целостности покровных тканей; ультра­ звуковая цитолизометрия, позволяющая получать информацию о механиче­ ских свойствах клеточныхмембран и пр.

Методы ультразвуковой диагностики удобно рассматривать, условно разделив их на группы по принципу действия, а также по способу получения и обработки информации.

2.1. УЛЬТРАЗВУКОВЫ Е ЭХО-МЕТОДЫ

Ультразвуковые эхо-методы основаны на эффекте отражения ультразвука от границ между тканями с различными акустическими свойствами. Эти методы позволяют дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности всего лишь на 0,1 %, тогда как рентгено­ графия, например, дает возможность различать ткани, если плотность одной из них отличается от плотности другой не менее, чем на 10 %.