книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

УДК 619:615.83 (075.8) ББК 22.32

А40

Рецензенты:

д-р хим. наук, проф. И.А. Крылов; д-р хим. наук, проф. Н.В. Макаров

Акопян Б.В., Ершов Ю.А.

А40 Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объек­ тами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии: Учеб, пособие / Под ред. С.И. Щукина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 224 с.: ил. - (Биомедицинская инженерия в техническом университете).

15ВК 5-7038-2597-0

В пособии с позиций современной биофизической акустики рассмотре­ ны результаты многочисленных исследований и практического использо­ вания ультразвука в медицине, ветеринарии и экспериментальной биоло­ гии показаны пути оптимизации известных ультразвуковых методов и но­ вые возможности применения ультразвука в диагностике, хирургии, терапии, прикладной биотехнологии, фармации, кормопроизводстве, тех­ нологии продуктов животноводства, ветеринарно-санитарной экспертизе.

Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для студентов высших технических учебных заведений, обучаю­ щихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Биомедицинская техника». Книга будет полезна аспирантам, препода­ вателям и специалистам в области ультразвуковой диагностики, физио­ терапии, хирургии и биотехнологии.

УДК 619:615.83(075.8)

ББК 22.32

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковая техника начала развиваться во время Первой ми­ ровой войны. Именно тогда, в 1914 г., испытывая в большом лабора­ торном аквариуме новый ультразвуковой излучатель, выдающийся французский физик-экспериментатор Поль Ланжевен обнаружил, что рыбы при воздействии ультразвука забеспокоились, заметались, затем успокоились, но через некоторое время стали гибнуть. Так слу­ чайно был проведен первый опыт, с которого началось исследование биологического действия ультразвука.

В конце 20-х годов XX в. были сделаны первые попытки исполь­ зовать ультразвук в медицине. А в 1928 г. немецкие врачи уже приме­ нили ультразвук для лечения заболеваний уха у людей. В 1934 г. со­ ветский отоларинголог Е.И. Анохриенко ввел ультразвуковой метод в терапевтическую практику и первым в мире осуществил комбини­ рованное лечение ультразвуком и электрическим током. Вскоре ульт­ развук стал широко применяться в физиотерапии, быстро завоевав славу весьма эффективного средства.

Прежде чем применить ультразвук для лечения болезней челове­ ка, действие его тщательно проверяли на животных, но новые методы в практическую ветеринарию пришли уже после того, как нашли ши­ рокое применение в медицине. Первые ультразвуковые аппараты бы­ ли весьма дороги. Цена, конечно, не имеет значения, когда речь идет о здоровье людей, но в сельскохозяйственном производстве с этим при­ ходится считаться, поскольку оно не должно быть убыточным.

Первые ультразвуковые лечебные методы основывались на чисто эмпирических наблюдениях, однако параллельно с развитием ультра­ звуковой физиотерапии разворачивались исследования механизмов биологического действия ультразвука. Их результаты позволяли вно­ сить коррективы в практику применения ультразвука.

В 1940-1950 годах, например, полагали, что в лечебных целях эф­ фективен ультразвук интенсивностью до 5...6 Вт/см2 или даже до 10 Вт/см2. Однако вскоре применяемые в медицине и ветеринарии ин­ тенсивности ультразвука стали уменьшаться. Так в 60-е годы XX в. максимальная интенсивность ультразвука, генерируемого физиотера­ певтическим и аппаратами, уменьшилась до 2...3 Вт/см2, а выпуска­ емые в настоящее время аппараты излучают ультразвук с интенсив­ ностью, не превышающей 1 Вт/см2. Но сегодня в медицинской и вете­ ринарной физиотерапии чаще всего используют ультразвук с интенсивностью 0.05..Д5 Вт/см2.

Создание электронных быстродействующих импульсных систем обработки радиолокационных сигналов в период Второй мировой войны стимулировало развитие ультразвуковой диагностики. В на­ стоящее время ультразвуковое обследование ежегодно проходят око­ ло 60 млн пациентов. В ветеринарной практике ультразвуковые мето­ ды позволяют проводить раннюю диагностику беременности животных, определять толщину жира и мышц, визуализировать внут­ ренние органы и т. д.

Около 40 лет насчитывает история ультразвуковой хирургии, ос­ нованной на результатах исследований и разработок советских уче­ ных. Сегодня ультразвуковые скальпели и специальные ультразвуко­ вые инструменты широко используются для рассечения мягких, хря­ щевых и костных тканей, для удаления катаракты и лишних жировых отложений, для санации ран и полостей. Фокусированный ультра­ звук успешно применяется для разрушения опухолевых образований в глубине организма без нарушения целостности покровных тканей, для раздражения или разрушения отдельных нервных структур и т. д.

Ультразвуковые методы стали настолько привычными, что в по­ следнее время в продаже появились домашние ультразвуковые при­ боры для лечения «от всех болезней», для глубокого массажа, для стирки белья, для отпугивания грызунов и пр. Некоторые из них в принципе не могут обеспечить обещанный в рекламных проспектах эффект, применение других для самолечения просто опасно, так как при неправильном применении они могут нанести вред организму.

Многие ультразвуковые методы, прочно занявшие свое место в медицине, уже используются в практической ветеринарии, другие, разработанные и опробованные, по разным причинам еще не нашли широкого распространения. Об одних пока еще мало знают специа­ листы, применение других задерживается из-за высоких (для сель­ скохозяйственного производства) цен на современное ультразвуко­ вое оборудование.

В лабораториях научно-исследовательских учреждений создают­ ся новые методы, цель которых - упростить методы и существенно сократить сроки лечения человека и животных, увеличить продук­ тивность животных, улучшить условия труда врачей и ветеринарных специалистов. Исследования дают новые результаты, и не исключено, что, воздействуя ультразвуком на отдельные участки мозга и биоло­ гически активные точки животных, человек в будущем сможет управ­ лять их поведением и регулировать их продуктивность.

В прошлые годы было издано немало книг, посвященных приме­ нению ультразвука в медицине, и лишь единицы, в которых рассмат­ ривались вопросы использования ультразвуковых методов в ветери­ нарной практике и биотехнолигии. В большинстве из этих книг ос­ новное место занимает описание экспериментальных данных.

В предлагаемом учебном пособии предпринята попытка с пози­ ций современной биофизической акустики проанализировать резуль­ таты многочисленных исследований и практического использования ультразвука в медицине и ветеринарии, а также показать пути опти­ мизации известных ультразвуковых методов и возможности новых областей применения ультразвука в диагностике, хирургии, терапии. Рассмотрены также задачи биотехнологии, экологии, кормопроиз­ водства, фармации, которые эффективно решаются с использованием ультразвуковых методов.

Ввиду отсутствия специальных учебных курсов или даже разде­ лов по биофизике ультразвука и ультразвуковым методам, а также учебных пособий и справочной литературы по этой теме потребова­ лось введение в книгу разделов, посвященных элементам физики ультразвука, взаимодействию ультразвука со средой, механизмам его биологического действия.

Данное учебное пособие призвано помочь будущему исследова­ телю, инженеру и врачу лучше разобраться в механизмах лечебного действия ультразвука, глубже понять возможности диагностических ультразвуковых методов, природу ультразвукового ускорения био­ технологических процессов и т. д. Тема находится на стыке ряда науч­ ных дисциплин, где нередко одни и те же термины обозначают раз­ ные понятия. Не установилась окончательно терминология и в бурно развивающейся биофизике ультразвука.

Поскольку достаточно подробно осветить материалы всех пред­ шествующих работ не представлялось возможным из-за ограничен­ ности объема, в книге приведены ссылки на публикации, обобщаю­ щие результаты оригинальных приоритетных исследований, или ана­ литические обзоры.

Учебное пособие рекомендовано студентам и аспирантам, изу­ чающим курс «Биомедицинская техника», а также специалистам, ра­ ботающим в области ультразвуковой физиотерапии, хирургии, диаг­ ностики, биотехнологии, экологии, физикам-акустикам, биофизикам, физиологам, инженерам-исследователям, разработчикам ультразву­ ковой аппаратуры.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам - доктору химических наук, профессору И.А. Крылову и доктору химических наук, профессору Н.В. Макарову.

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И БИОФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКА

Раздел физики, посвященный получениюу распространению и взаимодей­ ствию с веществом ультразвуковых, звуковых и инфразвуковых волн, называ­ ется акустикой,а эти волны - акустическими.

Ультразвук - колебания и волны в упругих средах с частотой, превышаю­ щей верхнюю границу слышимого звука.

По своей природе ультразвуковые волны не отличаются от звуковых, а также инфразвуковых волн, имеющих частоту ниже нижней границы слыши­ мого звука.

Деление на ультразвук, звук и инфразвук условно. В основе такого деле­ ния - свойство человеческого уха воспринимать упругие колебания среды только в ограниченном диапазоне частот.

1.1. ВОЛНЫ В УПРУГИХ СРЕДАХ

Акустические волны способны распространяться в средах, состоя­ щих из упругого вещества. Упругость обеспечивает возвращение в ис­ ходное положение частиц среды, смещенных под воздействием ка­ ких-либо внешних сил.

Если поршень в упругой среде сместить на небольшое расстоя­ ние, то слой вещества перед поршнем, испытывая давление, со­ жмется, а затем начнет расширяться, сдавливая соседний слой, тот, в свою очередь, расширяясь сдавит следующий слой. В результате в среде возникает последовательность сжатий и разрежений, которые и представляют собой акустические волны, распространяющиеся в среде и передающие все новым и новым слоям вещества возмуще­ ние, возникающее у поршня (рис. 1.1). Частицы среды при этом не переносятся в направлении распространения волн, а лишь колеб­ лются около положения равновесия.

Волны называются продольными, если направление колебаний час­ тиц совпадает с направлением распространения волн. Если эти направ­ ления взаимно перпендикулярны, то волны называются поперечными.

Рис. 1.1. Акустические упругие волны в среде:

а - продольные; б - поперечные; в - графическое изображение волны; стрелки и «I* указывают направление колебания частиц

Если амплитуда колебания частиц в волне невелика и не меняется со временем, в среде распространяется плоская акустическая волна, которая описывается уравнением

5 = Л 51П (е й - кх + сро),

где 5 - смещение частицы среды от положения равновесия; А - максимальное смещение частицы относительно положения

равновесия (амплитуда); I - время;

х - положение частицы на оси координат, в направлении которой распространяется волна;

со - циклическая частота колебаний, со = 2к/; / = 1/Т - частота ко­ лебаний (число колебаний за единицу времени), Т - период колеба­ ния;

к = 2п/Х - волновое число, где X - длина волны (расстояние между двумя соседними сжатиями или разрежениями);

(р0- начальная фаза.

Движение частиц, описываемое приведенной формулой, подчиняет­ ся синусоидальному закону и называется гармоническим колебанием.

В газообразных и жидких телах, в том числе и в мягких тканях жи­ вотных, содержащих до 75 % воды, распространяются продольные вол­ ны. Исключение составляют волны на поверхности жидкостей. В твер­ дых телах, в частности в костях скелета человека и животных, наряду с продольными, могут возникать и поперечные, сдвиговые волны.

Частота колебаний / измеряется в герцах. Один герц равен одно­ му колебанию в секунду. Для удобства пользуются кратными едини­ цами измерения: 1000 Гц = 103Гц = 1 кГц; 1000000 Гц = 106Гц = 1 МГц; 103МГц = 1 ГГц (гигагерц).

Рис. 1.2. Условное деление акустических колебаний и волн на диапазоны

В зависимости от частоты акустические колебания делят на не­ сколько диапазонов (рис. 1.2).

Границы, разделяющие отдельные диапазоны акустических коле­ баний, достаточно условны. Граница между звуком и ультразвуком, например, зависит от индивидуальных особенностей человеческого слуха. Одни люди не слышат звуки с частотой в 10 кГц, другие могут воспринимать звуки с частотой до 25 кГц.

Многие животные слышат звуки значительно более высоких частот, чем человек. Собаки улавливают звуковые колебания до 44кГц, крысы - до 72 кГц, летучие мыши - до 115 кГц. Верхняя граница звукового вос­ приятия в определенной степени зависит от расстояния между ушами. Чем ближе уши, тем более высокие звуки различает животное. Слон, на­ пример, ощущает звуковые колебания только до 12 кГц.

Верхняя граница ультразвукового диапазона обусловлена ф и­ зической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межмолекулярных (меж­ атомных) расстояний в жидкостях и твердых телах. Исходя из это­ го, нетрудно рассчитать, что верхняя граница ультразвукового диа­ пазона в газах составляет около 1 ГГц (109 Гц), а в твердых телах - примерно 1013 Гц.

Ультразвук с частотой более 1 ГГц иногда выделяют в отдельный диапазон и называют гиперзвуком.

Очевидно, что скорость частицы, совершающей гармонические колебания, также меняется по гармоническому закону. Нетрудно показать, что амплитуда колебательной скорости - максимальная скорость, с которой движутся частицы среды при колебаниях Уш ” о А. При этом скорость движения колеблющейся частицы пе­ риодически меняется с той же частотой от 0 до \ т- Аналогично ме­ няется и ускорение движения частицы. При этом амплитуда уско­ рения В “ (й2А.

Вышеприведенный пример с поршнем показывает, что возмуще­ ние от частиц, колеблющихся в каждом слое около положения равно­ весия, передается от слоя к слою по направлению распространения волны х. Таким образом, в акустической волне происходит перенос энергии без переноса вещества.

Скорость распространения акустических волн в жидкостях зави­ сит от коэффициента сжимаемости жидкостей:

где р - плотность жидкости; р - коэффициент адиабатической сжимаемости, равный относи­

тельному изменению объема АУ/У при изменении давления на АР. Ко­ эффициент Р рассчитывают по формуле

V а г *

Втвердых телах скорость продольных волн равна:

с- Е / Р ,

где Е - модуль Юнга, характеризующий упругие свойства вещества. Скорость распространения упругих (акустических) волн в возду­

хе при 25 °С составляет 333 м/с, в воде и мягких биологических тка­ нях - около 1500 м/с, в костной ткани - примерно 3500 м/с.

Скорость распространения упругой волны практически не зави­ сит от частоты и связана с длиной волны X простым соотношением:

X = с // или Х = сТ,

т. е. чем больше частота/, тем меньше длина волны.

Так, при распространении в воде (с « 1500 м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина его волны X составит 1,5 ■10_3 м, или 1,5 мм.

Благодаря малым длинам волн ультразвук распространяется в среде, подчиняясь законам геометрической оптики. Так же, как и свет, ультразвук распространяется прямолинейно в однородной среде, от­ ражается и преломляется на границах сред с разными акустическими свойствами. Его можно фокусировать, используя линзы и сфериче­ ские зеркала.

Пространство, заполненное веществом, в котором распространя­ ется акустическая волна, называется акустическим полем.

Акустическое поле характеризуется переменным звуковым давле­ нием в каждой точке и интенсивностью распространяющейся волны.

Периодические сжатия и расширения каждого слоя вещества, в ко­ тором распространяется упругая волна, можно рассматривать как ре­ зультат действия переменного давления, амплитуда которого равна:

Р = рсАш = рент у

где Уот - амплитуда колебательной скорости частиц.