Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами

Под редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина Авторы: Акопян Б.В., Ершов Ю.А.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1.Физическая химия и биофизика ультразвука

1.1.Волны в упругих средах

1.2.Ультразвуковое поле

1.3.Затухание ультразвука

1.4.Отражение ультразвука

1.5.Искажение формы ультразвуковой волны в реальных условиях

1.6.Акустические течения

1.7.Коллоидный вибропотенциал в механизме биологического действия ультразвука

1.8.Ультразвуковая кавитация

1.9.Ультразвуковые химические реакции

1.10.Ультразвуковое свечение

1.11.Влияние ультразвука на воду вводные растворы

1.12.Ультразвуковая кавитация в биологических средах

1.12.1.Кавитация в суспензиях клеток

1.12.2.Кавитация в тканях под действием низкочастотного ультразвука

1.12.3.Кавитация в тканях под действием высокочастотного ультразвука

1.12.4.Кавитация в тканях под действием «диагностического» ультразвука

1.13.Излучатели ультразвука

1.14.Приемники ультразвука

1.15.Визуализация ультразвукового ноля

5.Ультразвук в биотехнологии

5.1.Ультразвук в пищевом машиностроении

5.2.Приборы ультразвукового контроля

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

5.2.2.Определение качества мяса в процессе его созревания

5.3.Ультразвуковая очистка

5.4.Ультразвуковая интенсификация производственных процессов

5.4.1. Эмульгирование

5.4 2. Диспергирование

5.4.3.Экстрагирование

5.4.4.Осветление

5.4.5.Сушка

5.4.6.Очистка сточных вод

5.5.Ультразвук в производстве кормов (предпосевная стимуляция семян ультразвуком)

5.6.Применение ультразвука в медицинской и ветеринарной биотехнологии

5.6.1.Ультразвук в криобиологии и криоконсервировании

5.6.2.Влияние ультразвука на биосинтез интерферона

5.6.3.Стимуляция роста клеток в культуре

5.6.4.Прединкубационная обработка яиц ультразвуком и введение лекарственных веществ через неповрежденную скорлупу

5.6.5.Снижение уровня иммунологической специфичности клеток

5.7. Получение кормовых добавок с помощью ультразвука

Список литературы

6.Ультразвук в фармации

6.1.Интенсификация процессов приготовления лекарств

6.2.Ультразвуковые аэрозоли

Список литературы

Заключение

Предметный указатель

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковая техника начала развиваться во время Первой мировой войны. Именно тогда, в 1914 г., испытывая в большом лабораторном аквариуме новый ультразвуковой излучатель, выдающийся французский физик-экспериментатор Поль Ланжевен обнаружил, что рыбы при воздействии ультразвука забеспокоились, заметались, затем успокоились, но через некоторое время стали гибнуть. Так случайно был проведен первый опыт, с которого началось исследование биологического действия ультразвука.

В конце 20-х годов XX в. были сделаны первые попытки использовать ультразвук в медицине. А в 1928 г, немецкие врачи уже применили ультразвук для лечения заболеваний уха у людей. В 1934 г. советский отоларинголог Е.И. Анохриенко ввел ультразвуковой метод и терапевтическую практику и первым в мире осуществил комбинированное лечение ультразвуком и электрическим током. Вскоре ультразвук стал широко применяться в физиотерапии, быстро завоевав главу весьма эффективного средства.

Прежде чем применить ультразвук для лечения болезней человека, действие его тщательно проверяли па животных, но новые методы в практическую ветеринарию пришли уже после того, как нашли широкое применение в медицине. Первые ультразвуковые аппараты были весьма дороги. Цена, конечно, не имеет значения, когда речь идет о здоровье людей» но в сельскохозяйственном производстве с этим пригодится считаться, поскольку оно не должно быть убыточным.

Первые ультразвуковые лечебные методы основывались на чисто эмпирических наблюдениях, однако параллельное развитием ультразвуковой физиотерапии разворачивались исследования механизмов биологического действия ультразвука. Их результаты позволяли вносить коррективы в практику применения ультразвука.

В 1940-1950 годах, например, полагали, что в лечебных целях эффективен ультразвук интенсивностью до 5…6 Вт/см2 или даже до 10Вт/см2. Однако вскоре применяемые в медицине и ветеринарии интенсивности ультразвука стали уменьшаться. Так в 60-е годы XX в. максимальная интенсивность ультразвука, генерируемого физиотерапевтическим и аппаратами, уменьшилась до 2...3 Вт/см2, а выпускаемые в настоящее время аппараты излучают ультразвук с интенсивностью, не превышающей 1 Вт/см2. Но сегодня в медицинской и ветеринарной физиотерапии чаще всего используют ультразвук с интенсивностью 0,05...0,5 Вт/см2.

Создание электронных быстродействующих импульсных систем обработки радиолокационных сигналов в период Второй мировой войны стимулировало развитие

ультразвуковой диагностики. В настоящее время ультразвуковое обследование ежегодно проходят около 60млн пациентов. В ветеринарной практике ультразвуковые методы позволяют проводить раннюю диагностику беременности животных, определять толщину жира и мышц, визуализировать внутренние органы и т, д.

Около 40 лет насчитывает история ультразвуковой хирургии, основанной на результатах исследований и разработок советских ученых. Сегодня ультразвуковые скальпели и специальные ультразвуковые инструменты широко используются для рассечения мягких, хрящевых и костных тканей, для удаления катаракты и лишних жировых отложений, для санации ран и полостей. Фокусированный ультразвук успешно применяется для разрушения опухолевых образований в глубине организма без нарушения целостности покровных тканей, для раздражения или разрушения отдельных нервных структур и т. д.

Ультразвуковые методы стали настолько привычными, что в последнее время в продаже появились домашние ультразвуковые приборы для лечения «от всех болезней, для глубокого массажа, для стирки белья, для отпугивания грызунов и пр. Некоторые из них в принципе не могут обеспечить обещанный и рекламных проспектах эффект, применение других для самолечения просто опасно, так как при неправильном применении они могут нанести вред организму.

Многие ультразвуковые методы, прочно занявшие свое место в медицине, уже используются в практической ветеринарии, другие, разработанные и опробованные, по разным причинам еще не нашли широкого распространения. Об одних пока еще мало знают специалисты, применение других задерживается из-за высоких (для сель- скохозяйственного производства) цен на современное ультразвуковое оборудование.

Влабораториях научно-исследовательских учреждений создаются новые методы, цель которых - упростить методы и существенно сократить сроки лечения человека и животных, увеличить продуктивность животных, улучшить условия труда врачей и ветеринарных специалистов. Исследования дают новые результаты, и не исключено, что, воздействуя ультразвуком на отдельные участки мозга и биологически активные точки животных, человек в будущем сможет управлять их поведением и регулировать их продуктивность.

Впрошлые годы было издано немало книг, посвященных применению ультразвука в медицине, и лишь единицы, в которых рассматривались вопросы использования ультразвуковых методов в ветеринарной практике и биотехнологии. В большинстве из этих книг основное место занимает описание экспериментальных данных.

Впредлагаемом учебном пособии предпринята попытка с позиций современной биофизической акустики проанализировать результаты многочисленных исследований и практического использования ультразвука в медицине и ветеринарии, а также показать пути оптимизации известных ультразвуковых методов и возможности новых областей применения ультразвука в диагностике, хирургии, терапии. Рассмотрены также задачи биотехнологии, экологии, кормопроизводства, фармации, которые эффективно решаются с использованием ультразвуковых методов.

Ввиду отсутствия специальных учебных курсов или даже разделов по биофизике ультразвука и ультразвуковым методам, а также учебных пособий и справочной литературы по этой теме потребовалось введение в книгу разделов, посвященных элементам физики ультразвука, взаимодействию ультразвука со средой, механизмам его биологического действия.

Данное учебное пособие призвано помочь будущему исследователю, инженеру и врачу лучше разобраться в механизмах лечебного действия ультразвука, глубже понять возможности диагностических ультразвуковых методов, природу ультразвукового ускорения биотехнологических процессов и т. д. Тема находится на стыке ряда научных дисциплин, где нередко одни и те же термины обозначают разные понятия. Не установилась окончательно терминология и в бурно развивающейся биофизике ультразвука.

Поскольку достаточно подробно осветить материалы всех предшествующих работ не представлялось возможным из-за ограниченности объема, в книге приведены ссылки на публикации, обобщающие результаты оригинальных приоритетных исследований, или аналитические обзоры.

Учебное пособие рекомендовано студентам и аспирантам, изучающим курс «Биомедицинская техника», а также специалистам, работающим в области ультразвуковой физиотерапии, хирургии, диагностики, биотехнологии, экологии, физикам-акустикам, биофизикам, физиологам, инженерам-исследователям, разработчикам ультразвуковой аппаратуры.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам - доктору химических наук, профессору И.Л. Крылову и доктору химических наук, профессору Н.В. Макарову.

1. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И БИОФИЗИКА

УЛЬТРАЗВУКА

Раздел физики, посвященный получению, распространению и взаимодействию с веществом ультразвуковых, звуковых и инфразвуковых волн, называется акустикой7 а эти волны - акустическими.

Ультразвук - колебания и волны в упругих средах г частотой, превышающей верхнюю границу слышимого звука.

Но своей природе ультразвуковые волны не отличаются от звуковых, а также инфразвуковых волн, имеющих частоту ниже нижней границы слышимого звука.

Деление на ультразвук, звук и инфразвук условно. В основе такого деления - свойство человеческого уха воспринимать упругие колебания среды только в ограниченном диапазоне частот.

1.1. ВОЛНЫ В УПРУГИХ СРЕДАХ

Акустические волны способны распространяться в средах, состоящих из упругого вещества. Упругость обеспечивает возвращение в исходное положение частиц среды, смещенных под воздействием каких-либо внешних сил.

Если поршень в упругой среде сместить па небольшое расстояние, то слой вещества перед поршнем, испытывая давление, сожмется, а затем начнет расширяться, сдавливая соседний слой, тот, в свою очередь, расширяясь сдавит следующий слой. В результате в среде возникает последовательность сжатий и разрежений, которые и представляют собой акустические волны, распространяющиеся в среде и передающие все новым и новым слоям вещества возмущение, возникающее у поршня (рис. 1.1). Частицы среды при этом

не переносятся в направлении распространения волн, а лишь колеблются около положения равновесия.

Волны называются продольными, если направление колебаний частиц совпадает с направлением распростра нения волн. Если эти направления взаимн о перпендикулярны, то волны называются поперечными.

Рис. 1.1. Акустические уп ругие волны в среде:

а - продольные; б - поперечные; в - графическое изображение полны; стрелки и и указывают направление колебания частиц

Если амплитуда колебани я частиц в волне невелика и не меняется со временем, в среде распространяется плоская акустическая полна, которая описывается уравнением

где s - смещение частицы среды от положения равновесия;

А - максимальное смеще ние частицы относительно положения равновесия (амплитуда);

t - время;

х - положение частицы н а оси координат, в направлении которой распространяется волна;

•- циклическая част ота колебаний, - частота колебаний (число колебаний за единицу времени), Т - период колебания;

- волновое чис ло, где - длина волны (расстояние между двумя соседними сжатиями или разрежениями);

- начальная фаза.

Движение частиц, описы ваемое приведенной формулой, подчиняется синусоидальному закону и называется гармоническим колебанием.

В газообразных и жидких телах, и том числе и в мягких тканях жив отных, содержащих до 75 % воды, распространяются продольные волны. Исключение составляют волны на поверхности жидкостей. В твердых телах, в частности в костях скелета человека и животных, наряду с продольными, могут возникать и поперечные, сдвиговые волны.

Частота колебаний изм еряется в герцах. Один герц равен одном у колебанию в секунду. Для удобства пользуются кратными единицами измерения: 1000 Гц = 103 Гц = 1 кГц; 1000000 Гц - 106 Гц = 1 М Гц; 103 МГц - 1 ГГц (гигагерц).

Рис. 1.2. Условное делени е акустических колебаний и вола на диапазоны

В зависимости от частоты акустические колебания делят на несколько диапазонов (рис. 1.2).

Границы, разделяющие отдельные диапазоны акустических колебаний, достаточно условны. Граница между звуком и ультразвуком, например, зависит от индивидуальных особенностей человеческого слуха. Одни люди не слышат звуки с частотой и 10 кГц, другие могу т воспринимать звуки с частотой до 25 кГц.

Многие животные слышат звуки значительно более высоких частот, чем человек. Собаки улавливают звуковые колебания до 44кГц, крысы - до 72 кГц, летучие мыши - до 115 кГц. Верхняя граница звукового восприятия в определенной степени зав исит от расстояния между ушами. Чем ближ е уши, тем более высокие звуки различает животное. Слон, на- пример, ощущает звуков ые колебания только до 12 кГц.

Верхняя граница ультразвукового диапазона обусловлена физическ ой природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, ч то длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межмолекулярных (меж- атомных) расстояний в жидкостях и твердых телах. Исходя из этого, нетрудно рассчитать, что верхняя граница ультразвукового диапазона в газах составляет около 1 ГГц (109 Гц), а в твердых телах - примерно 1013 Гц.

Ультразвук с частотой более 1 ГГц иногда выделяют в отдельный д иапазон и называют гиперзвуком.

Очевидно, что скорость частицы, совершающей гармонические кол ебания, также меняется по гармоническому закону. Нетрудно показать, что ампли туда колебательной скорости - максимальная скорость, с которой движутся частицы среды при колебаниях

. При этом скорость движения колеблющейся частицы пе риодически меняется с той же частотой от 0 до vm. Аналогично меняется и ускорение движения частицы. При

этом амплитуда ускорения .

Вышеприведенный пример с поршнем показывает, что возмущени е от частиц, колеблющихся в каждом слое около положения равновесия, передается от слоя к слою по направлению распространения волны х. Таким образом, в акустической волне происходит перенос энергии без пер еносу вещества.