Ультразвук в настоящее время находит широкое применение во всех
сферах деятельности человека, включая медицину и экологию. Биологическое действие ультразвуковых волн связывают с явлением кавитации, возникающим в жидких средах при распространении в них ультразвука. Известно, что в каждом месте среды, куда приходит звуковая волна, наблюдаются периодические сжатия и разрежения. Фаза сжатия сопровождается большими давлениями. В следующий за сжатием момент разрежения из-за больших скоростей движения частиц в жидкости возникают разрывы. В образующиеся пустоты и устремляются пузырьки воздуха, а вместе с ним и пары жидкости. Когда вновь наступает фаза сжатия, внутри жидкости развиваются большие давления. Этот процесс и называется кавитацией. Огромные давления в фазе сжатия и ускорения, вызываемые ультравуковыми волнами, разрушают не только твердые и жидкие тела, но и микроорганизмы – бактерии. Практически все бактерии, вызывающие заболевания человека, гибнут под действием ультразвука, если только они
предварительно были выделены из организма. Именно поэтому было предложено применить ультразвук в экологии для обезвреживания воды и различных пищевых продуктов. Практически очень важно то, что, пропуская ультразвук через жидкость, содержащую бактерии, вызывающие заболевания, можно приготовить лечебные
сыворотки, повышающие сопротивляемость человека болезни, сообщающие ему невосприимчивость, или иммунитет к данному заболеванию.
Подвергая ультразвуковому воздействию бактерии, можно выделить из
них особые характерные яды – токсины.
Разрушительное действие ультразвука распространяется и на вирусы, вызывающие многие опасные заболевания. Так, например, удалось
ослабить вирус, вызывающий сыпной тиф, действуя ультразвуком в течение всего одной секунды.
Положительные результаты дали опыты по стерилизации питьевой
воды. Производились удачные попытки стерилизации пищевых продуктов (например, при изготовлении консервов). Преимущество облучения ультразвуком заключается в том, что консервируемый продукт не должен подвергаться, как это обычно делается, нагреву до высокой температуры, а следовательно, его вкусовые качества остаются достаточно высокими. Интересны опыты пастеризации и гомогенизации молока. Результаты превзошли все ожидания: ультразвук не только уничтожил микробы, но и сильно размельчил и раздробил капельки жира, содержащегося в молоке, вследствие чего такое молоко стало значительно лучше усваиваться организмом.
Звук. Объективные и субъективные характеристики.
Изменение температуры воздуха и скорости ветра с высотой делают атмосферу неоднородной средой с переменной скоростью звука. Это при-водит к искривлению (рефракции) звуковых лучей. Поскольку скорость распространения звука зависит от температуры, в разных слоях атмосферы, температура слоев которых различна, звук будет иметь разную скорость. В среде с переменным показателем преломления звуковые волны будут распространяться по кривым линиям. При этом, как показывают мно-гочисленные опыты, луч загибается всегда так, что расстояние от точки к точке волна проходит за самое короткое время. Данное положение носит название принципа Ферма. Иначе говоря, распространяющаяся в неодно-родной среде волна изменяет направление так, чтобы продлить свой путь в среде с большей скоростью распространения и сократить его в слоях, где скорость распространения меньше.
Если температура понижается с высотой, что обычно бывает днем, то звуковые лучи при этом загибаются вверх (рис. 31.1, а). В результате на некотором небольшом расстоянии от источника звук перестает быть слы-шимым.
Если же с высотой температура увеличивается (температурная
Рис. 31.1
Кафедра общей и теоретической физики Профессор В.А. Яковенко
инверсия), звуковые лучи загибаются вниз (рис. 31.1, б) и звук доходит до более отдаленных точек земной поверхности. Этим объясняется тот часто наблюдаемый факт, что ночью звук слышен на бóльшем расстоянии, чем днем. При большой температурной инверсии звуковые лучи, испытав зна-чительное преломление, возвращаются к поверхности земли, отражаются от нее и снова поднимаются вверх (рис. 31.2). Таких отражений может быть несколько, звуковая энергия в этом cлучае концентрируется в некотором слое, который играет роль звукового ка-нала. Дальность распространения при таких условиях значительно увеличива-ется. Особенно заметно это в тихую ночь над рекой, благодаря слабому поглоще-нию звуковых волн водной поверхно-стью. Поэтому вдоль реки можно слы-шать даже слабые звуки на расстоянии нескольких километров.
Если температура воздуха с высотой изменяется незначительно и ветра нет, то звук от источника распространя-ется, не испытывая заметного преломления. Так, в зимние морозные дни далеко слышен гудок поезда, скрип саней, стук топора в лесу и т. п. При наличии ветра его скорость и скорость звуковой волны складыва-ются. Разный характер загибания звуковых лучей в этом случае (рис. 31.3) объясняет тот факт, что по ветру звук слышен дальше, чем против ветра. Многие источники звука (взрыв, шум двигателя, ветер и т.п.) излучают волны низких частот: инфразвуковые и близкие к ним. Такие низкочастот-ные звуки поглощаются слабо и в результате могут распространяться на сравнительно большие расстояния. Это можно объяснить следующим об-разом.
Рассмотрим звуковую волну, которая возникла в результате взрыва. Идущие вдоль поверхности земли звуки сильно поглощаются и рассеива-
Рис. 31.2
Рис. 31.3
Кафедра общей и теоретической физики Профессор В.А. Яковенко
ются благодаря неровностям земной поверхности, а также неоднородно-стям температуры и скорости ветра. Поэтому звук даже от мощного взрыва можно слышать на расстояниях, не превышающих 20–30 км. Однако этот звук становится снова слышимым на еще бóльших расстояниях. Объясняется это тем, что на высоте 50–70 км располагаются слои ат-мосферного озона с температурой 50–70 °C. Звук, который идет под неко-торым углом к земной поверхности, достигнув этого слоя, описывает дугу и снова возвращается на землю. Поэтому после зоны молчания на расстоя-нии около 150–200 км и более можно снова услышать звук взрыва. Зон слышимости может быть несколько, поскольку звуковые волны, которые пришли сверху, могут многократно отражаться от земной поверхности, подниматься вверх и снова возвращаться к ней. При ядерных взрывах возникают ударные волны огромной силы, кото-рые в результате затухания на некотором расстоянии переходят в мощные инфразвуковые волны, распространяющиеся на большие расстояния. Эти волны можно зарегистрировать инфразвуковыми приемниками. Таким об-разом, может быть обнаружен ядерный взрыв, совершенный в воздухе или воде на большом расстоянии от места наблюдения. Существенная особенность подводных звуков – их малое затухание, в результате чего под водой они могут распространяться на гораздо бóльшие расстояния, чем в воздухе. Так, в области слышимых звуков дальность распространения под водой звуков средней интенсивности дос-тигает 15–20 км, а в области ультразвука – 3–5 км. Для описания физических параметров звука существуют два подхода, которые опираются на две системы физических величин, между которыми существует определенная связь.
Первый подход основан на исследовании так называемых объектив-ных (не зависящих от восприятия звука человеком) характеристик при помощи физических приборов. Объективные характеристики – это частота
Кафедра общей и теоретической физики Профессор В.А. Яковенко
и интенсивность звука. Второй подход базируется на восприятии звука слуховым аппаратом человека – ухом (субъективные характеристики). При рассмотрении энергии волнового движения была получена формула 2212Aϕ=ρωυ, определяющая количество энергии, которая переносится за одну секунду через площадку в один квадратный метр, размещенную перпендикулярно направлению распространения волны.
Физические характеристики ультразвука.
Как уже отмечалось, скорость распространения ультразвука в матери-
альной среде определяется упругостью и плотностью . Однако при повышении некоторого предельного для данной среды значения
интенсивности ультразвука и переходе от распространения колебаний малой
амплитуды все большую роль начинают играть нелинейные эффекты. В этом
случае ультразвуковые колебания конечной амплитуды, распространяющие-
ся в среде, изменяют его физические свойства. Важнейшими проявлениями
действия мощного ультразвука на жидкость и границу разделов «жидкость –
газ» и «жидкость – твердое тело» являются кавитация, акустические течения,
радиационное давление, ультразвуковой капиллярный эффект и т. д., обу-
славливающие воздействие ультразвука практически на все известные техно-
логические процессы, организм человека, животных, биологические объекты.
Распространение ультразвука конечной амплитуды в жидкости с
развитием кавитационных явлений сопровождается протеканием ряда фи-
зико-химических процессов, которые имеют большое практическое значе-
ние: дегазация, нагревание, эмульгирование, химическое действие, коагу-
ляция, диспергирование и др. Рассмотрим подробнее эти процессы.
Благодаря отрицательным давлениям, которые возникают в среде
при прохождении через нее ультразвуковых колебаний конечной амплиту-
ды, в ней могут происходить микроскопические разрывы. Эти разрывы
(полости) исчезают при положительном давлении. В тех случаях, когда в
среде растворены газы, этот процесс начинается при меньших отрицатель-
ных давлениях, т. е. при меньших интенсивностях ультразвука.
Отрицательное давление, требуемое для начала кавитации, равно
сумме давлений, вызываемых силами молекулярного сцепления частиц
среды и внешнего давления.
В легких жидкостях, где сцепление невелико, вся энергия ультра-
звука идет практически на преодоление внешнего давления.
Для тяжелых вязких жидкостей интенсивность ультразвука, требуе-
мая для кавитации, примерно в 2–4 раза больше, чем в легких жидкостях.
Таким образом, для каждой среды имеется определенный «порог», с кото-
рого при данном внешнем давлении в ней начинается кавитация.
Во время кавитации в местах образования полостей выделяется теп-
ло и создаются большие давления. Процесс кавитации способствует выде-
лению газов из жидкостей – дегазации.
Биологическое воздействие ультразвука.
При воздействии ультразвука на биологические объекты частицы
среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ус-
корениями; при этом на расстояниях, равных половине длины звуковой
волны, в облучаемой среде могут возникать разности давлений от не-
скольких единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия
на структуру биологических объектов приводят к различным эффектам,
физическая природа которых связана с действием сопутствующих распро-
странению ультразвука в среде факторов: механического, теплового, а
также физико-химического.
В зависимости от интенсивности ультразвука и длительности облу-
чения ультразвук оказывает различное механическое воздействие на био-
логические объекты. Так, при малых интенсивностях (до 2–3 Вт/см2 на
частотах порядка 105–106 Гц) колебания частиц биологической среды про-
изводят своеобразный микромассаж тканевых элементов, способствующий
лучшему обмену веществ. Для организма человека и животных такое воз-
действие улучшает снабжение тканей кровью и лимфой. Повышение ин-
тенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологиче-
ских средах кавитации, а следовательно, и к механическому разрушению
клеток и тканей; кавитационными зародышами при этом служат всегда
имеющиеся в биологических объектах газовые пузырьки.
При распространении ультразвука в биологических средах происхо-
дит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую.
Характерно, что образование тепла осуществляется не равномерно по всей
толще тканей, а проявляется наиболее заметно на границах сред с различ-
ными волновыми сопротивлениями. Локальный нагрев тканей на доли или
единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологи-
ческих объектов, так как процессам обмена веществ свойственна сильная
температурная зависимость. Однако значительное повышение интенсивно-
сти ультразвука и увеличение длительности его воздействия могут привести
к чрезмерному нагреву биологических структур и к их разрушению. Поэто-
му тепловой эффект наряду с кавитацией используют в качестве основных
действующих факторов в ряде ультразвуковых хирургических операций.
Ультразвуковые генераторы
Одной из ответственных частей УЗ аппарата является электронный генератор – устройство, предназначенное для преобразования энергии электрической промышленной сети в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты.
Решение проблемы автоматической подстройки параметров генератора при всех возможных изменениях параметров обрабатываемых сред и разработка электрического генератора для специализированного ультразвукового станка является сложной проблемой.
Наиболее интересной и перспективной является схема генератора с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты.
К достоинству таких схем относятся все достоинства схем генераторов с независимым возбуждением, плюс к этому добавляется возможность автоматической подстройки частоты в соответствии с изменением механической частоты колебательной системы.
Однако у всех разработанных к настоящему времени генераторов с автоподстройкой частоты есть следующие общие недостатки:
- Ограничение по максимальной развиваемой мощности, обусловленное длительным временем рассасывания зарядов в базах современных высоковольтных транзисторов при протекании больших токов.
- Диапазон перестройки рабочей частоты генератора меньше возможного диапазона изменения собственной рабочей частоты колебательной системы.
- Ограниченный диапазон изменения или полное отсутствие регулировок выходной мощности генераторов.
- Полное отсутствие или недостаточное быстродействие систем автоматического поддержания амплитуды механических колебаний колебательной системы.
- Отсутствие систем защиты от нерегламентных режимов работы;
- Отсутствие ультразвуковых колебательных систем, способных обеспечить максимально эффективное согласование выходного электрического сопротивления электрического генератора и механического сопротивления обрабатываемых сред в широком диапазоне.
- Снижение производительности (эффективности ультразвукового воздействия) при изменении влияния обрабатываемых сред даже при наличии системы автоматической подстройки рабочей частоты.
На основании результатов создания электронных генераторов для ультразвуковых аппаратов и исследований, проведенных выше, был разработан электрический генератор, позволяющий исключить перечисленные недостатки.
Это стало возможным за счет обеспечения автоматической подстройки режимов работы электронной схемы генератора при всех возможных изменениях условий ультразвукового технологического воздействия, при использовании различных колебательных систем с большим числом разнообразных инструментов [13,14].
Рассмотрим структурную схему, представленную на рисунке 2.15.
Блок-схема ультразвукового технологического аппарата
Рисунок 2.15 – Блок-схема ультразвукового технологического аппарата
Электронный генератор включает в себя:
1 – фазовый компаратор;
2 – генератор, управляемый напряжением;
3– выходные каскады УЗ генератора;
4 – электрический LC контур;
5 – ультразвуковую колебательную систему;
6 – устройство, фиксирующее амплитуду напряжения на колебательной системе;
7- датчики для снятия сигналов обратной связи;
8 – регулятор;
9 – тиристорный регулятор;
10 – устройство для формирования уставки, задающей стабилизируемую мощность;
11 – блок питания низковольтной части;
12 – устройство защиты и автоматики.
Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ на биологические объекты.
Как было показано в предыдущих разделах, при распространении интенсивных ультразвуковых колебаний (интенсивностью более 1…2 Вт/см2) в жидкости наблюдается, обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией. Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, приводящие к активной локальной турбулизации среды. После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются так-же локальные повышения температуры и электрические разряды. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3…1 Вт/см2.
Выявлено, что в диапазоне частот (5…10)×103 Гц отмечаются такие физико-химические явления, как разделение молекул и ионов с различной массой, искажение формы волны, появление переменного электрического поля, капиллярно-акустического и теплового эффекта, активация диффузии. Здесь проявляются сопутствующие эффекты, влияющие на процессы экстракции из лекарственного, растительного и животного сырья, наблюдается усиление процессов гиперфильтрации, проницаемости клеточных мембран, становятся возможными стерилизация термолабильных веществ, фонофорез, получение концентрированных ингаляционных аэрозолей.
Как известно, механическое действие ультразвука приводит к размельчению и диспергированию частиц. Механически работа ультразвука усиливает диффузию растворителей в биологические ткани.
Физико-химическое действие ультразвука на биологические объекты, прежде всего, связано с морфологией их поверхности. Ультразвук усиливает в тканях проницаемость клеточных мембран и диффузные процессы, изменяет концентрацию водородных ионов в тканях, вызывает расщепление высокомолекулярных соединений, ускоряет обмен веществ. При умеренной и небольшой интенсивности ультразвука в живых тканях явления кавитации практически не выражены и наблюдается лишь пульсация естественных пузырьков в биологических жидкостях и усиление внутриклеточных и внеклеточных микропотоков жидкости, прекращающихся при отключении генератора ультразвука.
Помимо освобождения механической энергии, образование кавитационных полостей сопровождается возникновением электрических зарядов на пограничных поверхностях, вызывающих люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды распадающихся на свободные гидроксильные радикалы и атомарный водород (Н2O = НО + Н).
В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды в тканях организма крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука [20].
Ультразвук изменяет скорость процессов на границе газ-жидкость. Действие ультразвука повышает растворимость азота в воде на 12%. И в то же время ультразвуковое облучение растворов приводит к их дегазации.
Тепловое действие ультразвука происходит вследствие превращения акустической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическими явлениями, вызывающими так называемый эффект пограничных поверхностей. Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе разделения двух сред. Особенно это сказывается на тепловом эффекте, который может усиливаться в несколько раз.
Биологическое действие ультразвука на клетки и ткани определяется главным образом интенсивностью ультразвука и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов [19]. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1…2 Вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки). Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).
Первичный эффект действия ультразвука проявляется влиянием на тканевые и внутриклеточные процессы; изменение процессов диффузии и осмоса, проницаемости клеточных мембран, интенсивности протекания ферментативных процессов, окисления, кислотно-щелочного равновесия, электрической активности клетки. В тканях под действием ультразвука активируются обменные процессы, увеличивается содержание нуклеиновых кислот, и стимулируются процессы тканевого дыхания. Под влиянием ультразвука повышается проницаемость стенок сосудов.
В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА
Ультразвуковое исследование в современной клинике уже невозможно представить без использования различных методик ультразвукового сканирования. В клиниках используются как методики B-режима, так и методики цветного доплеровского сканирования и трехмерной реконструкции. Компьютерные технологии обогатили возможности ультразвукового исследования.
Доплеровское УЗИ (или Доплер) – неинвазивное исследование, которое может быть использовано для оценки кровотока и давления в сосудах за счет отражения ультразвуковых волн от красных кровяных клеток – эритроцитов.
Эффект Доплера – это изменение частоты волн, отражаемых от движущегося исследуемого объекта. Доплеровское УЗИ способно установить скорость кровотока в сосудах, измерением величины изменения частоты волн.
Доплеровское УЗИ с успехом вошло в современную клиническую практику, так как дало возможность отображать движение по сосуду форменных элементов крови (например, эритроцитов). Суть метода состоит в определении скорости движения эритроцитов и определении направления этого движения. Эритроциты, направляющиеся к датчику, окрашиваются в красный цвет, а от датчика – в синий цвет.
При этом более светлые тона цвета указывают на более высокую скорость движения эритроцитов и обычно присутствуют в зонах выраженного стеноза, а также в центре ламинарного потока крови. Цвет сам по себе не может четко представлять артериальный или венозный кровоток, то есть красный сосуд не обязательно является артериальным сосудом. Но с помощью импульсного допплера или допплерографии, мы можем получить информацию в виде допплеровской кривой, которая уже несет информацию о характере сосуда.
Допплеровская кривая (допплерограмма) несет в себе информацию о типе сосуда – артерия или вена, о состоянии этого сосуда – систолическая и диастолическая скорость, индекс пульсации, индекс резистентности или индекс периферического сопротивления. Последний отражает информацию о состоянии кровенаполнения ткани и сосудов, расположенных дистальнее.
Основным недостатком метода Доплеровского УЗИ является то, что информация о потоке крови зависит от угла ультразвукового сканирования, а сосуды, располагающиеся перпендикулярно к датчику, вообще не получают своего отображения.
Кроме того, довольно часто при Доплеровском УЗИ возникают артефакты, которые путают цветовую картинку.
Но наиболее значимым ограничением следует считать невозможность при Доплеровском УЗИ получать изображения мелких сосудов, которые имеют очень малую скорость кровотока в них.
Доплеровское УЗИ может применяется при диагностике многих состояний, включая:
Механизмы действия УЗ излучения на биологические ткани.
Попадая в живой организм, ультразвук оказывает на него биологическое воздействие, которое не ограничивается влиянием только на облученные органы или ткани. Несмотря на то, что физическое и химическое воздействие ультразвука само по себе не объясняет механизма его комплексного влияния, эти воздействия следует учитывать. Мы уже рассматривали механическое воздействие и установили, что при облучении ультдазвуком обычной интенсивности хотя и производится микромассирующее воздействие на клетки, но его эффект незначителен. Разумеется, с повышением интенсивности ультразвука механическое воздействие может привести даже к повреждению ткани. Это явление и применяют в ультразвуковой нейрохирургии, где с помощью фокусированного излучения интенсивностью примерно 1000 Вт/см2 разрушают больные нервные ткани, опухоли.
Более важным, чем механическое, является тепловое воздействие. Поскольку поглощение ультразвука в тканях человека характеризуется коэффициентом приблизительно 0,33 (т. е. 33% на 1 см), то одна треть энергии ультразвука, проходящая через сантиметровый слой, преобразуется в тепло, а две трети проникает дальше, чтобы вызвать в более глубоких слоях механический и тепловой эффект. Ясно, что в тканях, находящихся на различной глубине, повышение температуры под влиянием излучения различно и тем меньше, чем глубже. А поскольку коэффициент поглощения тканей разный, поэтому и степень нагревания тоже различна, и бывает, что в ткани, находящейся глубже и обладающей большей поглощающей способностью, в тепло превращается больше ультразвуковой энергии, чем в слоях над ней, несмотря на то, что интенсивность ультразвука в глубине уже существенно меньше. Как показывают опыты, при ультразвуковом облучении имеет место и химическое воздействие. И хотя эксперименты дают убедительный ответ еще не на все вопросы, есть полная уверенность в том, что облучение ультразвуком ускоряет процессы диффузии в клетках, способствует деполимеризации крупномолекулярных белков, ускоряет процессы биохимического окисления и т. д.
Для генерации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект. Если подавать на некоторые кристаллы ВЧ напряжение, то они начинают колебаться в такт изменению напряжения. Пьезоэлектрические свойства отдельных материалов выражены весьма ярко и эти материалы совершают колебательные движения с большой амплитудой, иначе говоря, они преобразуют введенную электрическую энергию в энергию механических колебаний с большим к.п.д. Замечательными пьезоэлектрическими свойствами обладает кристалл кварца, вырезанный в соответствии с определенными кристаллографическими осями. Раньше ультразвуковые излучатели делали из кристалла кварца. Однако так как для возбуждения кварца нужно высокое напряжение, в настоящее время перешли к применению керамики из титаната бария. Для возбуждения колебаний преобразователи иэ этого материала требуют напряжения до 100 В. Недостатком таких преобразователей является то, что их свойства начинают изменяться при температуре 120…130°С. Поэтому головку из титаната бария необходимо охлаждать. Прежде для этой цели использовали воду, однако это создавало много неудобств. С помощью охлаждающих ребер можно добиться устойчивой работы излучающей головки терапевтического аппарата и при естественном воздушном охлаждении (рис. 41). ВЧ напряжение, необходимое для возбуждения пьезоэлектрической излучающей головки, обеспечивает специальный генератор. В терапии применяют кристалл с максимальной поверхностью 10 см .Современные аппараты позволяют получить интенсивность ультразвука 2 Вт/см2. При этом генератор должен иметь мощность, в несколько раз превышающую 10 Вт с учетом коэффициентов преобразования и вывода мощности. В зависимости от режима работы генератора преобразователь формирует непрерывные или импульсные волны. Импульсный режим работы позволяет использовать для терапии более интенсивный ультразвук без чрезмерного перегрева облучаемых тканей.
По расположению головки, излучающей ультразвук, различают три способа лечения. При контактном лечении колеблющуюся поверхность слегка прижимают к коже так, чтобы головка прилегала всей поверхностью. Воздушный слой между поверхностью тела и головкой перед процедурой следует заполнить какой-либо передающей жидкостью, например парафином, иначе ультразвуковые колебания отразятся на граничной поверхности преобразователь—воздух. Если из-за неровности поверхности тела ультразвуковую головку нельзя прижать всей поверхностью к телу (например, на пальцах или щиколотке) или если размещение головки причинило боль, то контактное лечение нельзя применять. В таких случаях прибегают к лечению в водяной ванне. Облучаемая часть тела опускается в воду, нагретую до температуры тела и дегазированную кипячением. Головка размещается в 2…3 см от облучаемого участка тела. В этом случае ультразвуковая энергия передается воде и через нее воздействует на облучаемые ткани. При выборе направления излучения необходимо следить за тем, чтобы под действием отражения от стенок ванны в тканях не возник ультразвук с интенсивностью, превышающей допустимые нормы.
Применение ультразвука в медицине
Ультразвуковое исследование является методом медицинской визуализации, который начал применяться более 40 лет назад. В настоящее время медицина уже не представляет свое существование без данного метода диагностики. Некоторые заболевания на начальных этапах протекают незаметно, а позднее обращение к врачу чревато усложнением всего лечебного процесса, который к тому же будет не всегда эффективен.
Области применения ультразвука в медицине чрезвычайно широки. В диагностических целях его используют для выявления заболеваний органов брюшной полости и почек, органов малого таза, щитовидной железы, молочных желез, лимфатической системы, сердца, сосудов, в акушерской и педиатрической практике. В виду физических свойств ультразвука, недоступными для данного метода являются органы, содержащие воздух и костные ткани.
УЗИ брюшной полости.
В ходе исследования брюшной полости оцениваются размеры органов, их структура, взаимное расположение, наличие дополнительных образований, воспалительных очагов, выявляются изменения, характерные для хронических заболеваний и травматических повреждений.
Печень: существуют ультразвуковые признаки следующих поражений – острого и хронического гепатита, цирроза, жировой инфильтрации, вторичных изменений, связанных с заболеваниями сердца, доброкачественных образований (кист, гемангиом, аденом, кальцификатов), паразитарных кист, злокачественных образований (первичного рака, метастазов).
Желчный пузырь: выявляются аномалии развития пузыря (формы, положения, количества, размеров) и желчевыводящих протоков, желчекаменная болезнь и ее осложнения, воспалительные заболевания (острый и хронический холецистит), полипы, доброкачественные опухолевые поражения, злокачественные поражения.
Поджелудочная железа: определяются аномалии развития, воспалительные заболевания: острый панкреатит и его осложнения (псевдокисты, абсцессы, сдавливание желчевыводящих путей, перитониты), хронический панкреатит; неопухолевые поражения (кисты, жировая инфильтрация); опухолевые поражения: доброкачественные, злокачественные.
Селезенка: наиболее целесообразным ультразвуковое исследование этого органа является при подозрении на пороки развития (полное отсутствие, неправильное расположение, блуждающая селезенка, изменение формы, наличие добавочных селезенок), а также при повреждениях селезенки, которые встречаются в 22% случаев всех травм органов брюшной полости. Кроме того диагностируется увеличение селезенки при воспалительных ее поражениях и при заболеваниях печени, определяются кисты, кальцификаты, инфаркты, абсцессы, опухоли (гемангиомы, лимфангиомы, лимфомы, саркомы, метастатические поражения), изменения при системных заболеваниях крови (лейкозы).
Сосуды: оценка расположения магистральных и внутриорганных сосудов, их размеров, состояние просвета.
УЗИ в акушерстве и гинекологии.
В настоящие дни эта область медицины не представляется без ультразвуковых исследований, которые носят многоплановый характер и имеют широкие возможности в диагностике различных заболеваний.
Акушерство: Приоритетное использование метода в акушерстве связано с отсутствием ионизирующего излучения и возможностью поэтому динамического наблюдения за пациентом. Техническая простота также относится к преимуществам УЗИ. Важной оценкой эффективности данной диагностики является снижение заболеваний и смертности матери и плода, что может быть достигнуто за счет более точного определения срока беременности и родов, выявления аномалий развития плода и многоплодия. Особое место занимает ранняя диагностика внематочной беременности.
Гинекология: Ультразвуковое исследование позволяет оценить расположение органов, их размеры; выявить изменения, характерные воспалительным заболеваниям матки и яичников; определить наличие дополнительных образований матки и яичников с проведением дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных изменений; произвести точную диагностику миомы матки, внутреннего эндометриоза, патологии эндометрия; производить контроль при проведении гинекологических операций (например в процессе искусственного прерывания беременности у больных миомой матки, биопсии эндометрия, удалении внутриматочной спирали).
УЗИ в педиатрии.
В педиатрии используется весь спектр ультразвуковых исследований как на самых ранних этапах обследования, так и на этапах окончательного установления диагноза.
Применение ультразвука в педиатрии обусловлено безвредностью (отсутствие радиационной нагрузки), безболезненностью, неинвазивностью, простотой и экономичностью метода.
УЗИ в онкологии.
Ранняя диагностика злокачественных новообразований в настоящее время является одной из самых актуальных проблем в онкологии. Ультразвуковые исследования применяют на самом первом этапе обследования больных с онкологическим риском.
Различные ультразвуковые методики в онкологии используются для решения следующих задач:
Первичная уточняющая диагностика опухолевых и неопухолевых заболеваний.
Контроль за результатами химиотерапевтического и/или лучевого лечения.
Выявление рецидивов после проведенной терапии.
Уточнение местной распространенности и обнаружение метастазов.
Контроль при проведении пункций.
Основные заболевания, выявляемые при ультразвуковом обследовании молочных желез:
Дисплазии (нарушение симметричности, размеров),
Дисгормональные гиперплазии (увеличение желез),
Кисты (типичны для менструирующих женщин в возрасте 30-50 лет),
Расширение млечных протоков,
Острые воспаления (мастит диффузной и узловой формы),
Опухоли: доброкачественные (фиброаденомы составляют 95% всех доброкачественных опухолей у женщин 15-40 лет), злокачественные (из них до 6% составляют метастазы).
УЗИ почки и мочевого пузыря.
Почки: При ультразвуковом обследовании оценивают расположение почек, форму, контуры, размеры, структуру паренхимы, состояние собирательных полостей, наличие дополнительных образований. Основные патологические состояния почек, выявляемые при УЗИ: аномалии количества (отсутствие, удвоение); аномалии положения (опущения, расположение обеих почек на одной стороне); аномалии сращения почек; аномалии величины (врожденное уменьшение размеров); аномалии структуры (мультикистоз, поликистоз, простые кисты); аномалии развития верхних мочевых путей (удвоения чашечно-лоханочной системы и мочеточника и др.); признаки воспалительных заболеваний (острый пиелонефрит, карбункул, абсцесс, туберкулезный процесс); мочекаменная болезнь (в настоящее время УЗИ является наиболее точным методом диагностики почечных камней, так как видны конкременты любого состава, в том числе рентгенонегативные конкременты мочевой кислоты); расширение верхних мочевых путей, закупорка мочевых путей; диффузные заболевания почечной паренхимы; опухоли: доброкачественные (аденомы, ангиомиолипомы), злокачественные.
Мочевой пузырь: выявляются аномалии развития, камни, опухолевые поражения: доброкачественные и злокачественные (большинство опухолей мочевого пузыря злокачественны и составляют 3% всех злокачественных опухолей, причем соотношение их частоты у мужчин и женщин примерно 6:1).
УЗИ предстательной железы, семенных пузырьков и органов мошонки.
Предстательная железа: ультразвуковое исследование позволяет поставить диагноз острого и хронического простатита, выявить аденому предстательной железы, рак.
Семенные пузырьки: определяются изменения, характерные для воспалительных заболеваний, опухолевые поражения.
Органы мошонки: выявляются пороки развития, воспалительные заболевания, кисты, опухоли.
УЗИ в эндокринологии.
Надпочечники: являются железами внутренней секреции, поэтому нарушение их функционирования, в том числе и вследствие наличия объемных образований, приводит к серьезным гормональным нарушениям, затрагивающим многие органы и системы. Ультразвуковое исследование позволяет выявить гиперплазию надпочечников, воспалительные изменения, гематомы, кисты, опухоли: доброкачественные (аденомы), злокачественные (саркомы) – и те и другие могут быть гормонально активными и гормонально неактивными, метастатические опухоли.
Щитовидная железа: Патология щитовидной железы встречается у 8% взрослого населения земного шара (женщины страдают чаще мужчин, в соотношении 3:1). Среди онкологических заболеваний злокачественные опухоли щитовидной железы составляют до 3%. Ультразвуковая диагностика имеет почти 100% чувствительность в выявлении очагового поражения щитовидной железы, в выявлении рака около 93%. Щитовидная железа реагирует практически на все виды экологических загрязнений. Важно своевременно выявить различные пограничные патологические состояния, череватые развитием диффузно-токсического зоба, аутоимунного тиреоидита, опухолевых процессов, гипотиреозов и других заболеваний. Ввиду важности проблемы, разрабатывается национальная государственная программа по исследованию щитовидной железы у всего населения с проведением ежегодной диспансеризации, включающей ультразвуковую диагностику, лабораторные исследования, консультацию специалиста. При УЗИ щитовидной железы оценивается: железа в целом (расположение, размеры, контуры, форма, структура), внутриорганные изменения (их характер – диффузный или очаговый, расположение, количество образований, контуры, размеры, структура), взаимоотношение щитовидной железы с окружающими структурами.
Выявляются: аномалии развития (положения и размеров), гиперплазия (диффузная и узловая форма), тиреоидиты (острые и хронические), аденома, злокачественные опухоли.
УЗИ молочной железы.
Опухоли молочной железы являются самым распространенным видом онкологических заболеваний. Только в США ежегодно рак молочной железы выявляется приблизительно у 184 тыс. женщин и у 1,5 тыс. мужчин, становясь причиной смерти для 45 тыс. человек. Ключом к решению данной проблемы считается ранняя диагностика опухолей молочной железы. Все предшествующие годы выявление новообразований молочной железы проводилось в основном методом рентгеновской маммографии. К сожалению, маммография не позволяет отличать доброкачественные образования от злокачественных. Здесь и пришли на помощь ультразвуковые исследования. По некоторым данным рентгеновская маммография не позволяет визуализировать до 40% опухолей у молодых женщин до 40 лет. А факт отсутствия лучевой нагрузки при ультразвуковом методе исследования является определяющим в выборе метода диагностики при обследовании женщин детородного возраста. Группа системных заболеваний молочной железы объединяется термином мастопатия, и встречается у 75-80% всех женщин.
УЗИ в кардиологии.
Ультразвуковое исследование сердца (эхокардиография) – позволяет оценить клапанный аппарат сердца, полости сердца (правый и левый желудочки, правое и левое предсердия), сократительную активность миокарда левого желудочка. Выявляет: пороки сердца (врожденные и приобретенные), пролапсы клапанов, кардиомиопатии, миокардиты, эндокардиты, перикардиты, гипертрофию миокарда желудочков, нарушение локальной сократимости миокарда левого желудочка, осложнения инфарктов миокарда, дополнительные образования (опухоли, тромбы), легочную гипертензию.
Заключение.
За последнее время ультразвук с успехом начинают применять в
медицинской практике для лечения и диагностики различных болезней.
Такое лечение оказывает эффективное действие при целом ряде заболева-
ний. Особенно хорошо ультразвук действует при заболеваниях перифери-
ческой нервной системы (при воспалении седалищного и тройничного
нервов, невралгии и т. д.). Болевые ощущения исчезают после первых же
сеансов, а через некоторое время наступает полное излечение. В настоя-
щее время еще достаточно полно не выяснен лечебный эффект ультразву-
ка, но уже установлено, что на ткани человека он оказывает механическое,
химическое и тепловое действие. Проявляется это в резкой вибрации тка-
ней и химических реакций, которые развиваются в результате молекуляр-
ной и коллоидно-химической перестройки. При сравнительно небольших
интенсивностях ультразвуковые колебания вызывают очень интенсивное
«встряхивание» тканей и являются эффективной формой «микромассажа».
На протяжении ряда десятилетий широкое применение в медицин-
ской диагностике находят методы ультразвуковой эхолокации для наблю-дения в реальном режиме времени практически за всеми внутренними ор-
ганами человека, что позволяет обнаружить деструктивные изменения на
ранних стадиях развития болезней.
Ультразвуковые датчики (давление, скорость движения, расход и т. п.)
находят применение и в решении задач мониторинга окружающей среды.
Такой широкий спектр применения ультразвука в экологии и меди-
цине требует обязательного изучения физических основ ультразвуковой
техники и перспективных направлений ее практического применения сту-
дентами экологических специальностей. Это задача и ставилась при напи-
сании настоящего пособия.
