книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

при прохождении через которые не наблюдается существенных иска­ жений формы ультразвукового поля и геометрии фокального пятна. Чем крупнее животное, тем легче найти на его черепе подходящие участки, так как у мелких животных весьма значительны изменения радиусов кривизны костей черепа и их толщины. При прохождении ультразвука через кости черепа мелких животных можно наблюдать смещение фокальной области от расчетного положения, расфокуси­ ровку и появление новых вторичных фокусов. Интенсивность ультра­ звука в этих вторичных фокусах значительно ниже, чем в главном, но нередко достаточна для того, чтобы вызвать повреждения и другие не­ желательные биологические эффекты.

Использование фокусированного ультразвука в эксперименталь­ ной медицине и ветеринарии только начинается. Однако успехи, на­ пример, в лечении рака простаты, позволяют надеяться, что дальней­ шие исследования дадут в руки экспериментаторам и практикам хоро­ ший инструмент воздействия на внутренние структуры организма без нарушения целостности покровных и окружающих тканей.

Список литературы

1.Акопян В.Б. Лечит ультразвук. М.: Колос, 1983.

2.А. с. 918840. Способ определения формы ультразвукового поля при биологических исследованиях / В.Б. Акопян, А.С. Дубовой, 1981.

3.Гаврилов Л.Р., Хэнд Дж. Разработка и экспериментальное иссле­ дование внутриполостной фазированной антенной решетки для ульт­

развуковой хирургии простаты / / Акустический журнал. 2000. № 2.

4.Гаврилов Л.Р., Хэнд Дж. Двумерные фазированные решетки для применения в хирургии: перемещение одиночного фокуса / / Акусти­ ческий журнал. 2000. № 4.

5.Гаврилов Л.Р, Хэнд Дж., Юшина И.Г. Двумерные фазированные решетки для применения в хирургии: сканирование несколькими фо­ кусами / / Акустический журнал. 2000. № 5.

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

7.Гладилин О.В., Догадов А.А. Фокусирующие излучатели ультра­ звука с электрически управляемой пространственно-временной структурой создаваемых полей / / Акустический журнал. 2000. № 4.

8.Дубров Э.Я. Рану лечит ультразвук / / Компьютерные техноло­ гии в медицине. 1997. № 2.

9.Цирульников Е М ., Гаврилов Л.Р., Дэвис И. О различных ощуще­ ниях кожной боли / / Сенсорные системы. 2000.

10.Николаев Г.А., Лощилов В.И. Ультразвуковая технология в хи­ рургии. М.: Медицина, 1980.

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

12.Янсон Х.А., Дзет е В.В., Татаринов А.М. Ультразвуковое иссле­ дование трубчатых костей / Рига: Зинатне, 1990.

УЛЬТРАЗВУК В БИОТЕХНОЛОГИИ

В основе всехультразвуковыхтехнологийлежатэффекты взаимодействия ультразвукасосредой. Мощныйультразвуквызывает в жидкихсредахрядспе­ цифическихэффектов - кавитацию, интенсивныемикроимакропотоки, при­ водящие кбыстромуикачественномуперемешиванию компонентов среды, обра­ зованию стойкихэмульсий, экстрагированию растворимыхкомпонентовиз на­ ходящихсяв жидкостичастиц,набуханию иразрушению этихчастиц.

Оборудование для ультразвуковыхтехнологий условно подразделяется на две группы в зависимостиот способаполученияультразвука.К первойотносят оборудование, в котором используютсяотносительно простыепоконструкции жидкостные механические излучатели, позволяющие генерироватьультразвук достаточной для технологическихцелеймощности счастотамидо 40к1ц.

Гидродинамическиеизлучателипозволяют получатьотносительнонедо­ рогуюультразвуковую энергию и используются в техслучаях, когда нетре­ буетсямонохроматичностиивысокойинтенсивностиизлучения.

В излучателяхвторого типаультразвук возникает в результате превра­ щения электрической энергии в механическую с помощью пьезоэлектрических или магнитострикционныхпреобразователей. Такие преобразователи дают,как правило, монохроматическое ультразвуковое излучение, что позволяет повы­ шатьихэффективность благодарярезонансным явлениям.Дляувеличенияин­ тенсивности на высокихчастотах используются ультразвуковые концентра­ торы, представляющиесобойфокусирующие системы в виде вогнутыхизлуча­ телей, а в низкочастотном диапазоне используют трансформаторы в виде стержней переменного сечения, позволяющие во много раз увеличивать ампли­ туду смещения излучающей поверхности. В отдельных случаях применяют таклсе электроискровыеизлучатели,генерирующиев жидкостиударнуюволну.

5.1. УЛЬТРАЗВУК В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Вопросам применения ультразвука в машиностроении посвящено немало монографий и публикаций в специальных журналах. Здесь мы ограничимся лишь перечислением основных задач биотехнологии, ре­ шаемых с использованием ультразвука.

В пищевом машиностроении ультразвук широко применяется при подготовке металлических поверхностей перед нанесением грунта, подготовке грунтованных поверхностей под нанесение кра­ сок, для полировки поверхностей, обезжиривания и очистки труд­ нодоступных мест, деформационной правки и локальной рихтовки,

повышения предела выносливости сварных соединений, их корро­ зионно-механической стойкости и долговечности, оперативного ав­ томатизированного контроля геометрической точности штамповой оснастки и деталей, повышения стойкости шлифовальных кругов на обдирочных и чистовых стадиях обработки посредством их опе­ ративной ультразвуковой очистки от засаливания в процессе экс­ плуатации. Ультразвук эффективен в технологиях восстановления режущих свойств гибких полировочных кругов в операционных и межоперационных режимах, повышения классности и однородно­ сти полированной поверхности, повышения эмульсионной устой­ чивости смазочно-охлаждающих жидкостей и предотвращения их расслоения, повышения качества нарезания резьб метчиками, по­ вышения стойкости метчиков и сверл малых диаметров, упрочне­ ния галтелей и поверхностей, подвергаемых знакопеременному на­ гружению без применения термохимических и термических мето­ дов. Применение ультразвука ускоряет дробление стружки, защищает сверла от поломок в процессе сверления глубоких кана­ лов, а также монтажа и демонтажа резьбовых и напряженных разъ­ емных соединений, способствует повышению показателей конст­ рукторско-технологической прочности композитных материалов на полимерном связующем, позволяет осуществлять сварку пласт­ массовых деталей.

5.2. ПРИБОРЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

Применение ультразвука для определения свойств, состава и строения веществ в промышленном производстве и в научных иссле­ дованиях основано на зависимости скорости и затухания ультразвуко­ вых волн в объеме и поверхностном слое вещества от его состава и структуры, на законах отражения и рассеяния ультразвука на грани­ цах двух сред с различными акустическими свойствами, на изменении резонансных параметров твердых тел в зависимости от свойств окру­ жающей среды. Акустические методы в ряде случаев позволяют заме­ нить субъективную органолептическую оценку результатами объек­ тивного экспресс-анализа пищевых продуктов и сырья в технологиче­ ских процессах их переработки.

5.2.1. Определение содержания белка, жира и минеральных веществ в биологических средах

Возможность определения состава биологических сред по их аку­ стическим свойствам появилась благодаря точным методам измере­ ния скорости распространения и коэффициента затухания ультразву­ ка в малых объемах. Разработке этих методов предшествовали широ­ кие исследования в области молекулярной акустики, выявившие

общие закономерности, связывающие состав и структуру биологиче­ ских жидкостей и тканей с их акустическими параметрами. Внедрение акустических методов в ветеринарную санитарию и технологии пере­ работки продуктов животноводства позволяет заменить многие субъ­ ективные оценки результатами объективного экспресс-анализа мяса, молока и мясомолочных продуктов.

Исследования показали, что акустические характеристики бел­ ков, липидов, минеральных веществ и воды в тканях аддитивны, ины­ ми словами, зависят лишь от содержания каждого из этих компонен­ тов при неизменной концентрации остальных. Кроме того, зависи­ мость акустических свойств белка, жира и минеральных веществ от их концентрации, а также температуры существенно различается, что и позволяет одновременно измерять содержание каждого компонента в среде сложного состава.

В простейшем случае, например для раствора белка в воде, зави­ симость между скоростью распространения ультразвука (и) и концен­ трацией белка (Сб) выражается соотношением

и = но + рбСб,

где но - скорость ультразвука в воде;

Рб - коэффициент связи между скоростью ультразвука и концен­ трацией белка.

Для смеси нескольких веществ - белков липидов, минеральных веществ уравнение примет вид:

и = но + РбСб + рлСл + РмСм,

где Сб, Сл, См - концентрации белка, липидов и минеральных веществ; Рб, Рл, Рм - коэффициенты пропорциональности.

Аналогичное уравнение можно записать для затухания ультразву­ ка в растворе смеси веществ:

а = осо + УбСб + УлСл + УмСм .

Еще два уравнения, связывающие концентрации белка, липидов и минеральных веществ в биологической жидкости, можно получить, измеряя скорости ультразвука и коэффициенты его затухания при двух различных температурах - и й.

В этом случае при решении системы линейных уравнений

и'1 =Мо4 +кп С6...+кп Сл +А13См;

Ы*1 = и 0 + ^ 2 1 ^ б + ^ 2 2 ^ л + ^ 2 3 ^ м !

а г' = СЕд1+к31С6 + к32Сл + к33См;

сс=<Х0 + ^4]С^ +кА2С„ +к43См

измеряемые акустические параметры линейно зависят от концентра­ ции в интервале от 0 до 5 %. Аддитивность сохраняется при любых со­ отношениях белка, липидов и минеральных веществ, а коэффициенты в уравнениях легко определяются экспериментально. Используя при­ веденную выше систему уравнений, можно определить концентрацию основных компонентов биологических жидкостей.

Систему уравнений можно упростить, если учитывать не абсо­ лютные значениям*1,и*2,а*1,а*2 , а их изменения:

Дм*1 = и*1 -Мд1;

Дм*2 =м*2 - и ^ ;

Да*1 = а Г1 - а о 1;

Да*2 =а*2 - а $

Решая уравнение относительно Сб, Сл, Сы, получаем

С6 = Аи Дм*1 ч-А^Дм*2 +/413Да*1 +Л14 Да*2 ;

С л = А21А м ^ + А22Д М*2 + /423Д а *1 + А24Д а * 2 :

См =Л 31Дм*1 +Л32Дм‘2 ч-АззДа*1 ч-А^Да*2

Специальные измерения при 1\ = 20 °С и 1г= 40 °С позволили оп­ ределить значения коэффициентов:

Ан = 0,074, А п = 0,176, Ап» = 0,29, А н = 15,71;

Дм*1, Дм*2, Да*1, Да*2 в последнюю систему уравнений, можно опреде­ лить содержание белка, липидов и минеральных веществ в пробе.

Во избежание ошибок измерения следует проводить в разбавлен­ ных (не более 5 %) гомогенатах, а результаты измерений умножать на коэффициент разбавления. Для приготовления гомогенатов предва­ рительно измельченные кусочки мяса диспергируют, используя мощ­ ный низкочастотный ультразвук.

В некоторых случаях, например, при оценке качества молока, об­ разец не требует предварительной подготовки, а измерения и расче­ ты можно существенно упростить, представив молоко в виде трех­ компонентной водной системы, содержащей белок, жир и сухие обез­ жиренные молочные остатки. Для подобных измерений на базе разработок Института биофизики РАН в Новосибирске создан удоб­ ный лабораторный прибор, позволяющий в течение нескольких ми­ нут в небольших (1 см3) образцах молока, мясного или колбасного фарша одновременно определить содержание жира, белка, минераль­ ных веществ и воды.

5.2.2. Определение качества мяса в процессе его созревания

Определение качества мяса - одна из важнейших задач ветери­ нарно-санитарной экспертизы. Переход животноводства на промыш­ ленную основу и связанные с этим изменения условий содержания животных привели к появлению нестандартной продукции. Мясо од­ них животных отличается повышенной жесткостью, в мясе других не протекают процессы созревания.

Рутинные методы определения свежести мяса и степени его со­ зревания либо весьма трудоемки и длительны, либо основаны на орга­ нолептике и,следовательно, необъективны.

Выгодно отличается от них ультразвуковой метод, позволяющий измерять сдвиговые характеристики, в частности сдвиговую вязкость биологических тканей.

Принцип действия ультразвуковых вискозиметров прост и осно­ ван на зависимости характера колебаний контактирующего со средой вибратора от ее вязкости.

Датчик прибора для измерений вязкоупругих свойств тканей представляет собой стержень, торец которого совершает крутильные колебания (рис. 5.1). Контакт с исследуемой средой обусловливает дополнительные потери энергии колебаний, затрачиваемой на возбу­ ждение в среде поверхностных волн. Такие потери энергии приводят к уменьшению амплитуды вынужденных колебаний вибратора или бо­ лее быстрому затуханию его свободных колебаний. Изменяется и час­ тота резонансных колебаний.

Потери энергии вибратора пропорциональны ^тр ( р - плотность,

а Г1- коэффициент сдвиговой вязкости среды). Следовательно, ульт­ развуковой сдвиговый вискозиметр позволяет исследовать и контро­ лировать кинетику процессов в среде (в частности, в биологических тканях), сопровождающихся изменениями одного из этих параметров.

Рис. 5.1. Датчик прибора для измерения вязкоупругих характеристик мягких тканей, с помощью крутильных колебаний:

1 - электрическое соединение датчика с измерительным устройством: 2 - крепления стержня к корпусу; 3 - стержень из пьезоэлектрического материала, совершающий крутильные колебания; 4 - корпус датчика; 5 - исследуемая ткань

И если плотность тканей животных близка к плотности воды и меня­ ется в весьма ограниченных пределах, то сдвиговая вязкость сущест­ венно изменяется при нарушении межклеточных контактов, при чрез­ мерной гидратации или дегидратации тканей.

Созревание мяса проходит в несколько стадий. Сразу же после убоя мышцы, лишенные управляющих сигналов, расслабляются. Од­ нако примерно через 3 ч мышечные волокна начинают сокращаться, вызывая развитие напряжения во всей системе мышц. Сокращение мышц (трупное окоченение), обусловленное распадом АТФ, достига­ ет максимального развития через 10... 12 ч после убоя. Трупное окоче­ нение обычно проходит через 2...3 суток.

Скорость процесса зависит от температуры, замедляясь по мере ох­ лаждения мяса. При замораживании в мышечной ткани возникают кристаллы льда, рассекающие или сильно деформирующие мышечные волокна, а также нарушающие целостность клеточных мембран. При последующем размораживании из мяса выделяется сок, что приводит к его частичной дегидратации. При хранении мяса в неподходящих усло­ виях в нем могут возникнуть и развиться процессы гниения, сопровож­ дающиеся изменением структуры мышечных волокон, ослаблением ме­ ханической связи между ними и т. д. Консистенция мяса изменяется, и оно становиться мягким.

Для измерения вязкости в пищевой промышленности удобны ульт­ развуковые вискозиметры, позволяющие непрерывно регистрировать ее изменения в технологических процессах. Эти и другие акустические приборы, предназначенные для измерения физико-химических свойств пищевых веществ и их композиций, а также состояния оборудования, например уровня заполнения бункеров, наличия механических дефектов

вответственных деталях технологических узлов, толщины органических

инеорганических отложений на внутренних стенках рабочих емкостей и труб и т. д., широко применяются в пищевой промышленности.

5.3. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА

Использование ультразвука позволяет не только ускорить про­ цесс очистки, но и получить высокую степень чистоты рабочих по­ верхностей, а также заменить ручной труд и исключить применение пожароопасных и токсичных растворителей. Процесс ультразвуковой очистки обусловлен рядом специфических явлений в жидкости, вы­ званных действием интенсивного ультразвука: кавитацией, энергич­ ными микропотоками, акустическим давлением, звукокапиллярным эффектом. Качество очистки зависит от частоты колебаний, плотно­ сти акустической энергии и формы поля, свойств моющей жидкости и прочности связи загрязняющих веществ с очищаемой поверхностью. Ультразвук значительно повышает активность микроорганизмов, ток­ сических для соединений, что позволяет на один-два порядка снизить концентрацию антибактериальных препаратов при санитарной обра­ ботке агрегатов машин по переработке пищевых продуктов. Ультра­ звуковая очистка осуществляется, как правило, в ваннах различной емкости с встроенными в дно излучателями. Эти ванны широко при­ меняются для очистки оборотной стеклянной тары, труб, сменных уз­ лов машин, а также хлебопекарных и прочих поддонов и емкостного оборудования, что стало возможным благодаря разработке новых мощных и экономичных погружных преобразователей.

Специальное ультразвуковое оборудование позволяет осуществ­ лять мойку зерна перед помолом или проращиванием, в течение не­ скольких секунд избавиться от осадка, а также от «масок» и «сеток» на внутренней поверхности бутылок с шампанским, не меняя его потре­ бительских качеств, провести санитарную очистку оборотной тары и поверхности яиц, предназначенных для использования без тепловой кулинарной обработки и т. д.

Ультразвуковая очистка поверхностей вовсе не всегда сопровожда­ ется их полной санацией - освобождением от патогенной и другой мик­ рофлоры. Для решения этой задачи чаще используют комбинирован­