Ультразвук оказывает на вещество сложное действие: механическое, физико-химическое и тепловое.
Механическое действие УЗ на веществосвязано с деформацией микроструктуры вещества, происходящей вследствие поочередного сближения и разрежения его частиц, вызываемых УЗ волной.При достаточной интенсивности УЗ это может вызвать разрушение вещества. Важным свойством ультразвука является то, что он обусловливает интенсивное колебательное движение частиц жидкости ( в каждой точке фазы уплотнения чередуются с фазами разрежения среды). Иногда в такой жидкости происходят разрывы сплошности среды (кавитации) и в фазе разрежения образуются микрополости, которые быстро заполняются насыщенным паром окружающей жидкости.
Время жизни полости (пузырька ) очень мало, так как в волне вслед за разрежением быстро наступает сжатие и давление на пузырек со стороны окружающей жидкости резко возрастает (оно может превышать атмосферное давление в несколько тысяч раз), что приводит к схлопыванию полости и образованию сильных ударных волн. Это, в частности, используется для разрушения оболочек растительных и животных клеток и извлечения из них биологически активных веществ.
Действием УЗ можно размельчить и диспергировать различные среды, что используется при изготовлении вакцин, эмульсий, аэрозолей и т.д.
В зависимости от условий воздействия и свойств cреды, УЗ может способствовать и обратным процессам:осаждению суспензий, коагуляции аэрозолей, очистке газов от взвешенных в них примесей.
УЗ ускоряет некоторые химические реакции, например, окисления и полимеризации.
На комплексном действии механических, тепловых и химических факторов основано биологическое действие ультразвука, который может вызвать гибель вирусов, бактерий и грибков, а при значительной мощности и мелких животных. При незначительной мощности УЗ повышает проницаемость клеточных мембран, активизирует процессы тканевого обмена.
Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.
В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.
УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая — с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.
Разрушение опухолей, Сваривание мягких тканей, Сваривание костей
Ультразвуковая диагностика — совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука
УЗ-методы позволяют осуществить визуализацию внутренних структур организма, а также исследовать движение биологических объектов внутри организма.
Ультразвук может оказывать на ткани организма механическое, тепловое и химическое действие. Терапевтический эффект достигается совместным действием этих факторов.
Тепловое действие ультразвука в жидкостях и в мягких тканях обусловлено тем, что в таких средах, охваченных ультразвуковыми колебаниями, соседствует множество тонких слоев вещества, имеющих большие отличия в скорости их движения, вплоть до движения соседних слоев в противоположных направлениях. Поэтому силы вязкого трения между слоями могут быть весьма существенны. Механическая работа этих сил во всем объеме «озвученной» среды и есть тепловая энергия, выделенная в этом объеме.
Аналогия: в холодную погоду мы интенсивно трем руки.
Чем больше частота ультразвука, тем больше перепады скоростей в слоях вещества, больше коэффициент его ослабления, больше тепловой эффект.
Обращаем Ваше внимание на значительный, иногда опасный тепловой эффект, возникающий на границах раздела тканей с большой разностью волновых сопротивлениях. В таких случаях коэффициент отражения ультразвукового луча близок к единице , и интенсивность отраженного луча почти равна интенсивности падающего луча. Поэтому при наложении отраженного луча на падающий, благодаря одинаковости фаз колебаний в этих лучах, результатом их интерференции становятся колебания почти что удвоенной амплитуды. Энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, так что в областях, примыкающих к границам раздела с большим коэффициентом отражения, тепловое действие ультразвука наиболее интенсивно. При вводе ультразвука в организм обсуждаемое усиление теплового действия происходит вне организма, и оно не ощутимо. А вот на выходе из организма оно может быть вполне ощутимо. Например, если ультразвуковой излучатель прислонить к мокрой ладони, то вскоре с тыльной стороны ладони появится ощущение, похожее на боль ожога.
В онкологии: ультразвуковая гипертермия – локальный контролируемый нагрев нежелательных структур до температуры 41 -44 О С без перегрева соседних тканей – может достигаться фокусировкой ультразвукового потока, либо пропусканием нескольких потоков излучения неопасной интенсивности, с их пересечением на нежелательных структурах, где их тепловое действие суммируется.
Терапевтическая процедура, основанная на механическом действии ультразвука – микромассаж. Ультразвук создает в тканях высокочастотные локальные пульсации давления. На любом расположенном вдоль УЗ-луча отрезке протяженностью, равной длине волны, сосуществуют: зона повышенного давления (зона сжатия) и зона пониженного давления (зона растяжения). Спустя каждые полпериода зоны повышенного давления становятся зонами давления пониженного, и наоборот. Длина волны ультразвука в мягких тканях при частоте 1 МГц равна 1,5 мм. Так что зоны сжатия и расширения — действительно зоны локальные, клеточного и субклеточного масштаба. Результаты подобных пульсаций давления зависят от их амплитуды, то есть от интенсивности ультразвука. При низкой интенсивности, не более 1 Вт/см 2 , увеличивается проницаемость клеточных мембран, улучшаются процессы тканевого обмена, и в целом достигается положительный эффект. Малые по интенсивности и длительности терапевтические УЗ-дозы оказывают болеутоляющее, сосудорасширяющее, рассасывающее действие, стимулирующее восстановление поврежденных органов и тканей.
Малыми дозами УЗ-излучения осуществляют массаж сердца и легких, мышечных тканей.
При малых интенсивностях ультразвука микромассаж сопровождается слабым локальным нагревом тканей на доли градуса. Это, как правило, дополнительно стимулирует нормальное протекание физиологических процессов. Но нужна осторожность: при длительном воздействии может наступить перегрев тканей и от ультразвука малой интенсивности. Перегрев возможен, если локальное ежесекундное тепловыделение превосходит ежесекундный теплоотвод, и это длится достаточно долго.
Ультразвуковые ингаляторы – простые и компактные устройства, в которых ультразвук создает из лечебного раствора тонкодисперсный туман, вдыхаемый при ингаляции.
Фонофорез (сонофорез, ультрафонофорез) — это терапевтический метод воздействия на организм, в котором так же сочетаются эффекты механического и теплового действия ультразвука. Он применяется для введения в ткани организма лечебных или косметических препаратов. Вводимый препарат смешивается с контактным гелем для ввода ультразвука в ткани организма. Ультразвуковой излучатель может работать в постоянном режиме (интенсивность порядка 0,5 — 2 Вт/см 2 ), либо в импульсном (0,1 — 3 Вт/см 2 ). При импульсном режиме тепловой эффект воздействия меньше, и это важно для предотвращения перегрева тканей.
Фонофорез аналогичен электрофорезу. При электрофорезе лекарственный препарат, имеющий вследствие диссоциации ионную структуру, внедряется в ткани организма под действием электрического поля. При фонофорезе ультразвук внедряет в ткани хоть ионы, хоть нейтральные частицы.
Кавитация – явление возникновения пустот в виде пузырьков, заполненных газом или насыщенным паром, в жидкости, имеющей пониженное давление.
В зонах разрежения в жидкости возникают зоны пониженного давления, провоцирующие появление в жидкостях деформации растяжения. А на растяжение жидкости работать не умеют: недостаточно велики силы межмолекулярных взаимодействий. Поэтому в зонах пониженного давления жидкость может разорваться, и в ней могут образовываться микрополости, заполненные насыщенным паром. Возникает явление кавитации.
Cavity (лат.) – пустота. Размеры кавитационных пузырьков невелики: доли миллиметра.
Кавитационные пузырьки, возникнув в зоне пониженного давления, оказываются, спустя полпериода, в зоне повышенного давления, и происходит их схлопывание – сокращение до нулевых размеров. Заполняющий их насыщенный пар опять становится жидкостью. При этом происходит сближение его диаметрально противоположных поверхностей с очень большой, и все возрастающей скоростью, и гидравлический удар – резкий всплеск давления, который способен разрушать не только клетки или микроорганизмы, но и металлы. Есть даже способ контроля интенсивности кавитации по количеству дырочек, возникающих в металлической фольге за одно погружение в жидкость.
В зонах возникновения кавитации существенно возрастает коэффициент поглощения УЗ-излучения, интенсивно идут процессы перемешивания и перехода энергии механических колебаний в тепловую.
Кавитационный режим действия ультразвука на ткани организма – в основе эффективной методики безоперационной ультразвуковой липосакции. В этой методике разрушение жировых тканей производится низкочастотным ультразвуком (20 – 100 кГц).
В фармацевтических производствах кавитационное дробление и перемешивание разнородных препаратов применяется для получения лечебных эмульсий, которые другими способами не изготовить.
Ультразвуковые скальпели в хирургии. Наложение УЗ-колебаний на хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает стерилизующее и кровоостанавливающее действие. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20 -50 кГц составляет 20-50 мкм. Подобные скальпели позволяют проводить операции в дыхательных органах без вскрытия грудной клетки, операции в пищеводе и на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ-скальпель в вену, можно разрушить в ней холестериновые утолщения.
В другой разновидности УЗ-скальпелей ультразвук накладывается непосредственно на разрезаемые ткани, Происходит кавитационная деструкция тканей под действием ультразвука высокой интенсивности, достигаемой его фокусировкой на зоне разреза.
Аналогия: в лазерном скальпеле луч тоже фокусируется на зоне разреза.
В урологии механическое действие ультразвука используется для дробления камней в мочевых путях; тем самым и в этих обстоятельствах отпадает необходимость в операции.
При сложных переломах может применяться ультразвуковой остеосинтез. Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), который под действием ультразвука быстро полимеризуется (химическое действие ультразвука). После УЗ-облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.
Физическое действие ультразвука сводится к трем основным проявлениям ( эффектам ): тепловое, механическое и физико-химическому действие.
1. Тепловое действие — это явление нагревания среды при прохождении через неё ультразвука.
Обусловлено поглощением УЗ средой в результате чего механическая энергия УЗ волны переходит в тепловую.
Так как поглощение УЗ различными средами не является полным, то и выделение тепла не будет одинаковым. При IУЗ = 5 Вт/см 2 и t = 1 мин. температура костного мозга повышается на 5 0 С, а мышц всего лишь на 1 0 С.
Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Ткани со сложной структурой более чувствительны, чем однородные. Локальный нагрев ткани на доли градуса увеличивает жизнедеятельность биологических объектов, интенсивность процессов обмена. Длительное воздействие приводит к перегреву.
Механическое действие – обусловлено переменным давлением, возникающим в среде при прохождении УЗ. При распространении УЗ в жидкости в момент разряжения происходит микроразрыв жидкости, то есть образуется полость ( кавитационный пузырек ), в который устремляются пары жидкости. В момент сжатия происходит захлопывание пузырьков. При этом создаются кратковременные (t 10 -6 с) импульсы давления ( 10 8 Па). Они способны разрушить весьма прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатным нагревом газа в пузырьке и его ионизацией. Кавитация начинается при интенсивностях I 8 кВт/м 2 . Перепады давления приводят в колебательное движение частицы среды, что обуславливает его «дробящее» действие и более равномерное распределение частиц по всему объёму ( используется при приготовлении эмульсий и суспензий ). Эффект возникновения акустических потоков носит специальное название: звуковой ветер. С его помощью перемешиваются жидкости.
Физико-химическое действие – тесно связано с явлением кавитации, так как в кавитационных пузырьках кроме больших давлений возникают свободные радикалы и атомарный водород. Это приводит к тому, что под действием УЗ могут ускоряться различные химические процессы (звуковая химия).
5. Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека.
Физически тело человека представляет собой неоднородную среду с участками различной плотности и акустических свойств, разделёнными фазовыми поверхностями на различные области.
При прохождении ультразвука в теле человека имеются следующие особенности:
1) Скорость ультразвука в тканях тела человека зависит от вида ткани и тканевой среды. Её значения (м/с) для отдельных тканей следующие:
2) Ткани тела человека сильно рассеивают и отражают ультразвук. Причина — морфологическая неоднородность тканей, наличие множественных поверхностей раздела, различия в акустических сопротивлениях. Например, акустическое сопротивление черепа и крови различаются в 3.5 раза.
3) В тканях тела человека происходит сильное ослабление ультразвуковой волны вследствие её поглощения. Пример: значение коэффициента поглощения черепа в 14 раз больше коэффициента поглощения мозга.