Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Взаимодействие полей и излучений с биологическими объектами. Учебное пособие
.pdf
глубине и отражающей способности тканей, лежащих на пути ультразвукового пучка.
Изображение В-типа (brightness – яркость) – это изображение томо-
графического слоя, полученное в режиме серой шкалы. Каждой амплитуде
принятого эхосигнала соответствует определенная степень почернения люминофора электронно-лучевой трубки. Чем меньше интенсивность эха, тем
темнее будет выглядеть на экране этот участок изображения, и наоборот. В
настоящее время изображение В-типа является основным в абдоминальной
ультрасонографии.
Изображение М-типа (motion – движение, или ТМ – time-motion) яв-
ляется основным в эхокардиографии. При исследовании сердца расстояние
между датчиком и отражающей поверхностью постоянно меняется. Это
движение носит волновой характер, и параметры таких кривых хорошо
поддаются математической обработке. На основе данных, получаемых с
помощью М-сканирования, высчитываются биометрические показатели
сердца (амплитуда и скорость движения сердечных структур и т.п.).
Изучение кровотока в сосудах проводится с использованием эффекта
Допплера. С этим эффектом встречаемся часто. Например, когда мимо нас
проносится гудящий поезд или пролетает самолет, то можно наблюдать изменение тона (частоты) издаваемого ими звука. Это происходит потому, что
звуковые волны, испускаемые движущимся источником, представляют собой множество сфер, центр которых смещается в направлении движения
источника. Если источник звука приближается к наблюдателю, то частота
его увеличивается, при удалении же – уменьшается.
В допплеровских системах, работающих в режиме непрерывной генерации сигналов, можно определять скорость кровотока в сосудах. Для изучения же кровообращения в камерах сердца, где скорость и направление тока крови существенно меняются вследствие сложности анатомического
строения полостей, используется импульсный режим генерации. Основным
достоинством импульсной допплеровской эхографии является получение
51
информации о скорости и направлении кровотока в заданной точке пространства.
Успехи в области ультразвуковой диагностики связаны с разработкой
и внедрением в клиническую практику аппаратов, работающих в режиме
«реального времени». В них используются датчики, генерирующие ультразвуковые волны с короткой экспозицией и высокой частотой.
Использование импульсного ультразвукового излучения и совершенствование методов регистрации эхосигналов стали основой для применения
компьютерного анализа звуковой информации, поступающей от объекта
исследования. После направления коротковолнового импульса в заданную
область (участок органа или ткани) в течение короткого промежутка времени порядка 1 мкс происходят отражение сигнала и его фиксация воспринимающим устройством диагностического аппарата. Это происходит значительно ранее, чем формируется новый импульс ультразвукового излучения.
В современных диагностических приборах соотношение промежутка времени между передачей вновь генерируемого ультразвукового импульса и
приемом эхосигнала, отраженного от изучаемого объекта, составляет
1:1000.
Столь короткое время регистрации эхосигналов, а также применение
современной электронно-вычислительной техники для обработки звуковой
информации лежат в основе получения непосредственного (визуального)
изображения исследуемого объекта (см. рисунок).
В последние годы разработаны ультразвуковые томографы, с помощью которых происходит автоматическое изучение «срезов» органа (т.е.
эхолокация его в разных плоскостях) при фиксации датчика в одном положении. Это обеспечивается специальным электронным преобразователем,
изменяющим фокус (плоскость) сканирования. Этот метод, названный
«ультразвуковой микроскопией», позволяет производить детальное изучение «срезов», толщина которых не превышает 5 мм [14].
52
К началу 80-х годов ХХ века была успешно решена проблема «при-
цельных» биопсий при использовании ультразвуковых аппаратов реального
времени для контроля за движением пункционной иглы.
В последние годы в мировой и отечественной практике наметилась
тенденция создания целевых приборов ультразвуковой диагностики: эхоэнцефалографов, эхоофтальмографов, эхокардиографов и др.
С помощью ультразвуковых томографов современных конструкций
можно определить небольшие по размеру (до 2-5 мм) патологически измененные участки, эхоплотность которых незначительно (на 1-2 %) отличается от окружающей ткани.
Ранее было показано, что при облучении ультразвуком живого организма возникает определенный риск, поэтому в физиотерапии необходимы
управляемые биологические изменения и эти изменения не должны быть
опасными. Избежать повреждений живых тканей можно путем использования режимов с перемещающейся головкой ультразвукового преобразователя.
Терапевтическое ультразвуковое воздействие может быть условно
разделено на облучение низких и высоких интенсивностей. Основная задача
применения низких интенсивностей ультразвука (0,125-3,0 Вт/см2) – неповреждающий нагрев или какие либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (>5 Вт/см2) основная цель –
вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях. Частоты излучателей, применяемых в терапевтических ультразвуковых аппаратах, определяются необходимой глубиной проникновения излучения.
Физиологическое и терапевтическое действие ультразвука зависит от
дозы, количества процедур и состояния организма. В терапевтических дозах
ультразвук применяют для активизации функций гипофиза, надпочечников,
щитовидной железы. Ультразвуковая терапия повышает физиологическую
лабильность нервных центров и периферических нервно-мышечных образований.
53
Управляемый нагрев глубоко расположенных тканей может дать положительный терапевтический эффект. В качестве примеров такого лечебного влияния отмечают увеличение растяжимости коллагеносодержащих
тканей; повышение подвижности суставов, болеутоляющее действие,
уменьшение мышечного спазма и др.
Колебательная природа звукового поля приводит к микромассажу
тканей, например рассасыванию спаек, образующихся в мягких тканях при
их повреждении. При наличии стабильно пульсирующих пузырьков в тканях могут возникать микропотоки.
Под влиянием ультразвука нормализуется функция внешнего дыхания, повышается степень усвоения тканями кислорода, улучшается моторная, всасывательная функция желудка, снимаются спазмы бронхов, кишок,
желчевыводящих путей; улучшается биоэлектрическая активность тканей,
повышается фагоцитарная функция лейкоцитов.
На сердечно-сосудистую систему ультразвук оказывает сосудорасширяющее действие, нормализует тонус сосудов, улучшает местное кровообращение, микроциркуляцию, усиливая крово- и лимфоток, раскрывая резервы капилляров, уменьшая их спазмы и венозный застой.
Ультразвук оказывает противовоспалительное, спазмолитическое, болеутоляющее и бактерицидное действие на живой организм, стимулирует
восстановление поврежденных органов и тканей.
Под влиянием ультразвука в зоне воздействия повышается проницаемость кожи и слизистых оболочек, что способствует введению в ткани через кожу нанесенных на нее лекарственных средств. Этот метод лечения
назван фонофорезом (ультрафонофорезом), причем совместное влияние лекарственных средств, введенных этим способом, и ультразвука усиливает
действие процедуры.
Основная цель применения ультразвука в онкологии – нагревание
ткани опухоли до температур, используемых в гипертермии (42-45 0С), c
сохранением при этом нормальных тканей при обычной температуре. Потенциальная опасность такого применения связана с возможностью нанести
54
вред нормальным тканям, окружающим опухоль, или разнести по организму злокачественные клетки, провоцируя тем самым метастазирование. Вопрос, может или нет гипертермия увеличить скорость метастазирования
опухоли, пока далек от своего решения [12].
Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно сфокусированного
пучка ультразвукового излучения вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй – механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, металлических
наконечников и др.
Ультразвуковые инструменты используются для удаления и разрезания ткани. Наиболее распространенным случаем является удаление катаракты из хрусталика глаза. Основным достоинством ультразвуковых инструментов является малая потеря крови, что особенно важно при операциях на таких богатых сосудами органах, как печень и селезенка. Ультразвуковые инструменты используются также при трахеотомии, операциях на
легких и бронхах. Широко применяется аппарат для ультразвуковой «сварки» и «резки» костей. При переломах «сварка» прочно соединяет костные
фрагменты и не нарушает естественных процессов восстановления кости.
«Сварку» используют также для заполнения костных дефектов, наращивания суставных концов и др. При таких операциях костной стружкой, смешанной с жидким полимерным материалом, заполняют пространство между
костными отломками; под действием ультразвука образуется их соединение. Ультразвук применяется в стоматологии для лечения периодонтита и
удаления зубного камня из патологического зубодесневого кармана.
Ультразвуковое излучение применяется также в биологической и медицинской лабораторной практике для диспергирования биологических
структур и изготовления аэрозолей, стерилизации инструментов и лекарственных средств. В бактериологии и иммунологии ультразвук применяют
для получения ферментов и антигенов из бактерий и вирусов, изучения
55
морфологических особенностей и антигенной активности бактериальных
клеток.
Все вышеуказанное обусловило широкое применение методов ультразвуковой диагностики и терапии, их внедрение во многие области медицины: хирургию, офтальмологию, акушерство и гинекологию, онкологию,
спортивную и космическую медицину.
56
3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
С БИОЛОГИЧЕСКИМИ СРЕДАМИ
3.1. Влияние электрических полей на клетки
Электрические поля являются нормальным фактором функционирования большинства биологических мембран. Вместе с тем электрические
поля высокой напряженности вызывают качественно новые явления. В ранних работах с клетками харовых водорослей было найдено, что гиперполяризация клеточной мембраны до некоторого критического значения потенциала вызывает резкое увеличение трансмембранного тока – явление, аналогичное электрическому пробою диэлектриков. Однако в случае клеточных мембран пробой был полностью обратимым: при реполяризации клетки низкая проводимость мембраны восстанавливалась, а само явление электрического пробоя можно было наблюдать неоднократно. Нарушение стабильности мембран в сильных электрических полях подробно изучено на
модельных системах – бислойных липидных мембранах.
При действии на суспензии клеток импульсных электрических полей
высокой напряженности (импульсы длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд при напряженности поля в несколько
кВ/см) отмечены нарушения проницаемости клеточных мембран и гибель
клеток. Электростимулируемый лизис клеток был продемонстрирован для
бактерий, дрожжей, эритроцитов и протопластов. Нарушение барьерных
свойств мембраны обусловлено индукцией в электрическом поле трансмембранного потенциала величиной до 1 В. Тщательный контроль параметров электрической обработки клеток позволяет вызывать обратимое повышение проницаемости клеточных мембран (электропорацию) с целью введения в клетки биологически активных веществ и чужеродных генов, что
открывает широкие возможности для применения электрических полей в
молекулярно-генетических и биотехнологических исследованиях. Наряду с
порацией мембран, электрические поля способны индуцировать слияние
клеток, что может быть использовано для получения гетеркарионов и ги-
57
cos5,1 RE
2
2/1
)(1
cos5,1
RE
бридов. Кроме того, воздействие электрических полей может активировать
функцию мембранных белков, стимулировать протекание клеточных процессов, вызывать морфологические изменения, такие как формирование
клеточных отростков или локальных сферических вздутий мембран (блебы)
на поверхности клеток. В связи с этим влияние электрических полей на живые клетки явилось предметом многочисленных исследований.
Эффекты, вызываемые действием электрических полей на клеточные
мембраны, могут быть классифицированы следующим образом: 1) электропорация, 2) электрослияние, 3) движения в электрическом поле (электрофорез, диэлектрофорез и электровращение), 4) деформации мембран, 5) электротрансфекция, 6) электроактивация мембранных белков.
Электропорация. При исследовании электропорации обычно используют короткие импульсы прямоугольной формы. Для расчета трансмембранного электрического потенциала, индуцируемого внешним электрическим полем в сферической клетке, используют уравнение Максвелла
, (3.1)
где R – радиус клетки, Е – напряженность внешнего электрического поля,
– угол между ориентацией электрического поля и радиус-вектором. Неравномерное распределение индуцируемого потенциала по поверхности
клетки было подтверждено в опытах с применением потенциалочувствительных красителей.
Если клетка находится в высокочастотном переменном электрическом поле, индуцируемый мембранный потенциал окажется меньше, чем
рассчитываемый по формуле (3.1). В этом случае индуцируемый потенциал
рассчитывают по формуле
, (3.2)
где = RCm(I+ 0/2). В этом соотношении , Сm, I и 0 обозначают угловую частоту переменного поля, емкость клеточной мембраны, а также сопротивления внутренней среды клетки и внешнего раствора соответствен-
58
но. Величина называется постоянной времени, или временем релаксации,
и измеряется в секундах.
Индукция мембранного потенциала в сферических везикулах под
действием внешнего электрического поля используется также в качестве
метода исследования процессов переноса заряда в фотосинтетических мембранах. Воздействие внешнего электрического поля на набухшие «хлоропласты» вызывает сильное возрастание замедленной флуоресценции фотосистем в связи с изменением вероятности рекомбинации разделенных зарядов при изменении напряженности поля в мембране [5]. Воздействие импульсного электрического поля на хлоропласты, набухшие в гипотонической среде, вызывает также изменения быстрой флуоресценции фотосистемы, амплитуда которой зависит от состояния реакционного центра.
После воздействия электрического импульса, приводящего к образованию в мембране пор, проницаемых для ионов и сахарозы, клетки, как
правило, набухают за время от нескольких секунд до нескольких минут.
После электропорации в связи с появлением в мембране сквозных пор концентрации солей и сахарозы в клетке и в среде быстро выравниваются. Однако мембрана клетки остается непроницаемой для макромолекул цитоплазмы, которые поддерживают в клетке избыточное осмотическое давление. Благодаря этому происходит движение воды в клетку, сопровождаемое
набуханием. Таким образом, набухание клеток после электропорации имеет
коллоидно-осмотическую природу.
Электрослияние мембран. Явления электрослияния клеток, повидимому, тесно связаны с электропорацией мембран. Существуют гипотезы, основанные на сравнительно простых физико-химических моделях и
теории устойчивости коллоидов. Слияние мембран контактирующих клеток
можно уподобить коагуляции гидрофобных коллоидных частиц. Современная теория устойчивости рассматривает процесс слипания как результат
совместного действия вандер-ваальсовых сил притяжения и электростатических сил отталкивания между частицами, несущими поверхностный заряд. В зависимости от баланса сил в тонкой пленке воды, разделяющей ча-
59
RT
C
zF
h
2
)(
xhch
s
h
F
RT
h
dhU2
2
12 R
B
U
стицы, возникает либо положительное давление, препятствующее соединению частиц, либо же отрицательное, приводящее к утоньшению водной
прослойки и образованию контакта между частицами.
В случае плоскопараллельных мембран, разделенных водной пленкой
с толщиной 2h, электростатическое взаимодействие поверхностных зарядов
создает в межмембранном зазоре избыточное давление, равное
, (3.3)
где h – значение электрического потенциала посередине толщины водной
пленки, а С – концентрация электролита в окружающих мембраны водных
растворах. Потенциал h связан с поверхностным потенциалом s соотношением
, (3.4)
где х – обратная толщина двойного слоя. Формула (3.4) применима, если
потенциал невелик по сравнению с
. Энергия электростатического от-
талкивания мембран численно равна работе, необходимой для перенесения
двух заряженных поверхностей из бесконечности на расстояние h от плоскости симметрии:
. (3.5)
Силы молекулярного притяжения (силы Лондона–Ван-дер-Ваальса)
действуют между молекулами, которые не имеют ни электрического заряда,
ни постоянного дипольного момента. В результате внутреннего движения
нейтральная молекула может на короткое время образовывать диполь, который индуцирует появление диполя в другой молекуле. Энергия вандерваальсова взаимодействия для двух одинаковых пластин бесконечной толщины определяется выражением
, (3.6)
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]