Действие ультразвука на клетки

Характеристика и получение ультразвука

Ультразвук — это упругие механические колебания среды, аналогичные звуковым, но имеющие более высо­кую частоту. Диапазон звуковых колебаний простирает­ся от 20 Гц до 20 кГц, ультразвуковых — от 20 кГц до 20 МГц. Ультразвук распространяется в среде с той же скоростью, что и звук: в воздухе — 333 м/с, в воде — 1500 м/с.

Ультразвуковые волны при своем распространении переносят энергию. Количество энергии, проходящей че­рез единицу площади за единицу времени, называется интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразву­ка при одинаковой частоте колебаний определяется ам­плитудой колебаний. Обычно в медицине используется ультразвук интенсивностью до 3 Вт/см², а в биологиче­ских исследованиях — до 1000 Вт/см².

При прохождении ультразвука частицы среды совер­шают периодические колебания обычно вдоль направ­ления распространения ультразвука. При своем переме­щении частицы создают переменное давление в среде,

245

которое изменяется с частотой ультразвуковых колеба­ний. Если ультразвуковые колебания синусоидальной формы, то и давление в каждой точке среды будет из­меняться по синусоидальному закону. В течение полу­периода колебаний давление в каждой точке среды повышается, а в течение второго полупериода понижает­ся. Точно так же через длину, равную полуволне, чере­дуются области повышенного и пониженного давления с расстоянием.

Источником ультразвука могут быть как естествен­ные явления, так и искусственные установки — генера­торы ультразвука. Естественными источниками ультра­звука являются животные, издающие ультразвук, на­пример кузнечики, саранча, сверчки, летучие мыши. Все эти животные воспроизводят ультразвук и воспринима­ют его специальными рецепторными аппаратами. Лету­чие мыши, например, издают ультразвук с частотой 70 — 80 кГц. Создаваемые ими колебания отражаются от ок­ружающих предметов и воспринимаются специальными механорецепторами. С помощью своего ультразвукового локатора летучие мыши очень тонко ориентируются в полете. Ультразвук слышат и некоторые другие живот­ные (дельфины, кошки, собаки, грызуны). Их слуховой аппарат настроен на более широкий диапазон звуковых колебаний. Источником ультразвука может быть и не­живая природа: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе некоторых дви­гателей и станков.

В технике ультразвук получают с помощью генерато­ров. Один из лучших методов получения ультразвука большой интенсивности состоит в использовании магни-тострикционного эффекта. Явление магнитострикции за­ключается в изменении длины стержня или трубки из ферромагнитного материала, помещенных в переменное магнитное поле параллельно направлению силовых ли­ний. Это изменение длины стержня обратимо. Если пер­воначально намагниченный стержень поместить в маг­нитное поле переменного тока (в соленоид), то он будет сокращаться и расширяться с двойной частотой поля. Если стержень первоначально был не намагничен, то он будет колебаться с той же частотой, что и магнитное поле. Если периоды собственных колебаний стержня и магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальной, а так как колебания стержня

246

продольные, то ультразвуковая волна будет исходить из концов стержня. Наиболее часто применяют стержни из никеля, дающие хороший магнитострикционный эффект. Для получения ультразвуковых колебаний использу­ют также обратный пьезоэлектрический эффект, кото­рый заключается в возникновении механических напря­жений в некоторых кристаллах при нанесении на соот­ветствующие грани кристалла электрических зарядов. При изготовлении генератора из пьезоэлектрического материала определенным образом вырезают пластинку. На определенные грани пластинки с помощью электро­дов накладывают переменное электрическое поле. В ре­зультате этого возникает движение кристалла, заклю­чающееся в попеременном расширении и сжатии между указанными гранями с частотой колебания электриче­ского поля. Если одна грань кристалла неподвижно прикреплена к массивному блоку, то другая колеблется вверх и вниз как поршень, создавая в прилегающей к грани среде механические колебания. Наилучшим пьезо­электрическим кристаллом в данное время является кварц, хотя другие кристаллы также находят примене­ние (турмалин, сегнетова соль, фосфорнокислый аммо­ний).

Действие ультразвука, применение в биологии и медицине

Действие ультразвука на биологические объекты сво­ дится к трем видам: механическому, тепловому и хими­ ческому.

Механическое действие ультразвука заключается в том, что при его прохождении через среду в любой ее точке возникают периодические сжатия и растяжения, т. е. имеются колебания давления. В момент растяжения жидкость может разорваться и в ней образуются мик­рополости, заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией. Если в том месте, где образуется кавитационный пузы­рек, будет находиться какая-либо структура, то она мо­жет разрушиться. Например, если в жидкости содержат­ся бактерии, то они разорвутся и погибнут. Однако раз­рушение частиц происходит только в том случае, если их размеры больше длины полуволны, т. е. если они захва­тывают области с повышенным и пониженным давлени-

₂₄₇

ем. В противном случае частицы будут только колебать­ся вперед и назад с частотой ультразвука. Таким обра­зом, в основе механического действия ультразвука ле­жит действие переменного давления, создающего кави­тацию.

Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука, существуют очень корот­кое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь на протяжении полупериода колеба­ний, затем сменяется повышенным давлением. Кавита­ционные пузырьки в это время с огромной силой захло­пываются. При захлопывании полостей молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и

ионизироваться. При этом образуются различные ионы

•

и радикалы, например ионы и радикалы воды: Н, Н⁺,

ОН, ОН^-. Ионы и радикалы вступают во взаимодейст­вие с веществами биологического объекта, например белками и нуклеиновыми кислотами. Это взаимодейст­вие приводит к деструкции молекул биологически важ­ных веществ клетки. Таким образом, химическое дейст­вие ультразвука заключается в образовании при кави­тации реащионноспособных веществ и последующем их взаимодействии с веществами клетки. Химическое дей­ствие ультразвука проявляется не сразу после облуче­ния, а через некоторое время. Это время необходимо для взаимодействия образовавшихся при облучении ио­нов и радикалов с веществами клетки.

При действии ультразвука частицы среды соверша­ют периодические колебания, что приводит к повыше­нию температуры среды. Тепловой эффект ультразвука зависит от его интенсивности. Тепловое действие ультра­звука применяется в медицине с терапевтической целью.

Ультразвук в зависимости от интенсивности и дли­тельности облучения вызывает различные биологические эффекты. При облучении ультразвуком малой интенсив­ности, порядка 1 Вт/см², возникает положительный био­логический эффект. При этом под действием ультразву­ка цитоплазма клеток совершает бурное круговое дви­жение, в результате чего ускоряются нормальные физио­логические процессы. Положительное действие ультра­звука малой интенсивности лежит в основе его примене­ния в терапии. При действии ультразвука большой ин-

248

тенсивности движение цитоплазмы клеток еще более усиливается и начинают появляться кавитационные пу­зырьки. Возникновение кавитации приводит к необрати­мым нарушениям структуры клеток. При длительном действии ультразвука большой интенсивности происхо­дит полная гомогенизация ткани.

Разрушающее действие ультразвука на биологиче­ские объекты используют в медицине для стерилизации различных предметов и веществ (бактерицидное дейст­вие) и для разрушения различных злокачественных опу­холей. Например, в нейрохирургии с помощью ультра­звука разрушают опухоли в головном мозге. Опухоль удается разрушить даже в том случае, если она нахо­дится в глубине мозга. Для этого пользуются нескольки­ми пучками ультразвуковых волн. Каждый пучок обла­дает небольшой интенсивностью и вредного влияния на ткань мозга не оказывает. Пучки направляют с разных сторон таким образом, чтобы они пересекались в месте локализации опухоли. Тогда в месте пересечения пучков интенсивность ультразвука возрастает, возникает кави­тация и происходит разрушение опухоли. Ультразвук применяется также в стоматологии (ультразвуковая бормашина).

Механическое действие ультразвука лежит в основе его применения для гомогенизации тканей с целью из­влечения из них биологически активных веществ. В фар­мацевтической промышленности ультразвук используют для приготовления высокодисперсных стабильных лекар­ственных эмульсий, например эмульсий камфорного масла.

В последнее время советскими учеными М. В. Волко­вым, В. И. Петровым, Б. В. Петровским, В. А. Поляко­вым, В. П. Лебедевой разработаны методы ультразвуко­вого соединения костей, поврежденных при переломах (ультразвуковая «сварка» костей), и методы ультразву­кового резания костных и мягких тканей. Применение этих методов дало хорошие результаты. Так, например, ультразвуковая резка и «сварка» грудины наполовину снизили количество гнойных послеоперационных ослож­нений.

Кроме применения в терапии и хирургии, ультразвук применяется и в диагностике. В различных тканях орга­низма ультразвук распространяется и поглощается по-разному. Измеряя скорость распространения и по-

249

глощение ультразвука тканями с помощью специальных установок, можно делать выводы о структуре внутрен­них органов в норме и патологии. С помощью специ­альных ультразвуковых установок можно наблюдать и фотографировать различные опухоли, кровоизлияния, наличие металлических, деревянных, стеклянных, пласт­массовых предметов в тканях (метод ультразвуковой визуализации). В определенных случаях с помощью ультразвука можно дополнить картину, полученную с помощью рентгенодиагностики. Это связано с тем, что различные мягкие ткани часто имеют одинаковую оп­тическую плотность для рентгеновских лучей и поэтому не различимы на рентгенограмме. Кроме того, действие ультразвука малой интенсивности совершенно безвред­но для организма, тогда как действие рентгеновских лу­чей далеко не безвредно.

Если ультразвук проходит через движущуюся среду, то наблюдается акустический эффект Доплера — изме­нение частоты (или длины волны) ультразвуковых ко­лебаний. Движущаяся среда в зависимости от направ­ления перемещения как бы разряжает или сгущает ультразвуковые волны. В последнее время на основе эффекта Доплера разработаны методы определения ско­рости кровотока. При этом излучатель и приемник ульт­развука с помощью специальных катетеров вводят в кро­веносный сосуд и измеряют доплеровский сдвиг частот, который пропорционален скорости движения среды. Ре­гистрация доплеровского сдвига частот в сочетании с измерениями отражения и рассеяния ультразвука позво­ляют также изучать динамику других физиологических явлений: колебания стенок сосудов, движения клапанов и стенок сердца, мочеиспускания и др.