О механизме разрушения тканей

При сравнении данных по пороговым интенсивностям, при которых происходит разрушение тканей, оказалось, что при интенсивностях звука меньше 2 10³ Вт/см² и времени экспозиции меньше 4 10^-2 с работает кавитационный механизм, а в случае, когда время экспозиции превышает 1с, а интенсивность звука меньше, чем 200 Вт/см² работает механизм теплового разрушения. В промежуточной области механизм разрушения не ясен. Под акустической кавитацией понимают образование и последующее активное поведение газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию.

Нестационарные полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Схлопывание таких пузырьков приводит к возникновению высоких температур и давлений.

Применение фокусированного ультразвука

Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см²).

Хирургическая техника должна воздействовать только на четко ограниченную область, быть быстродействующей, вызывать минимальные потери крови.

Мощный фокусированный ультразвук обладает большинством из этих качеств. Возможность использования фокусированного ультразвука для создания зон поражения в глубине органа без разрушения вышележащих тканей изучено в основном в операциях на мозге. Позже операции проводились на печени, спинном мозге, почках и глазе.

Применение фокусированного ультразвука позволяет локально воздействовать на поверхностные и глубоко расположенные структуры организма в результате создания локальной, контролируемой гипертермии, то есть нагрева до 41-44 градусов
без перегрева поверхностных тканей. Эти возможности локального воздействия на глубоко расположенные структуры организма недостижимы при использовании традиционных методов воздействия ультразвуком на биологические объекты, основанные на применении плоских ультразвуковых волн. Кроме термического воздействия, фокусирующие излучатели создают повышенное звуковое давление, распределённое неравномерно, оно максимально в центре фокальной области и очень мало на периферии (рис. 49).

Рис. 49 Распределение звукового давления
в фокальной области излучателя

Наибольшее распространение в медицине получили излучатели фокусированного ультразвука в виде части сферической оболочки, изготовленные из пьезоэлектрической керамики (Рис. 50).

Рис. 50

Геометрические характеристики сферического излучателя ультразвука

На рисунке представлены основные геометрические характеристики сферического излучателя: R - радиус, F - фокусное расстояние, α_m - угол раскрытия, h - глубина, г₀ – радиус фокальной области, l - длина фокальной области.

Ещё один фактор биологического действия фокусированного ультразвука его механические эффекты. Например, при частоте 1МГц и интенсивности 1000 Вт/см² значения параметров ультразвука таковы: амплитуда смещения – 0,6 мкм, колебательная скорость - 4м/с, ускорение - 2,3 10⁹см/с² (что превышает ускорение земного тяготения в 2 10⁶ раз), звуковое давление 55 атм., градиент звукового давления на половину длины волны - 1500 атм./см. Такое интенсивное механическое
воздействие на среду может приводить к эффектам разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука.

Механическое действие фокусированного ультразвука резко усиливается при возникновении в среде ультразвуковой кавитации.

При облучении тканей фокусированным ультразвуком возникает, также, химическое действие аналогичное действию плоских ультразвуковых волн высокой интенсивности.

Разнообразие биологических эффектов, обуславливаемых фокусированным ультразвуком, и возможность управления ими, локально воздействуя на структуры, лежащие в глубине организма, практически не влияя на окружающие ткани, делает применение фокусированного ультразвука весьма важным для медицины.

Наибольшее тепловыделение возникает при облучении биологических тканей импульсно-периодической ультразвуковой волной. Поглощение такой волны с заданной средней мощностью может быть в несколько раз увеличено путем повышения скважности импульса. При облучении ткани мощным фокусированным ультразвуковым импульсом происходит генерация сдвиговых волн в среде, которая повышает эффективность воздействия в несколько раз.

Импульсно-периодические режимы возбуждения с прямоугольной огибающей радиоимпульсов, отличаются амплитудой ультразвуковых импульсов. Они имеют одинаковую среднюю мощность и дают разную картину нагрева среды.

В среде с нелинейными свойствами, из-за влияния среды на УЗ, возникают ударные участки, волна поглощается эффективнее, нагрев среды оказывается сильнее.

Применение сильно сфокусированной импульсно-периодической ультразвуковой волны, вызывающей сильный нагрев участков тканей, является перспективным направлением неинвазивной хирургии.

Ультразвуковая сварка и резка биологических тканей.

Ультразвуковая "сварка" костей - остеосинтез - применяется при переломах. "Сварка" прочно связывает фрагменты и не нарушает естественных процессов регенерации кости.

"Сварку" используют для заполнения костных дефектов, для "наваривания" суставных концов и в других случаях.

При ультразвуковой сварке реализуется сложный комплекс физико-химических процессов. Вибрирующий с ультразвуковой частотой инструмент-волновод представляет собой импульсный источник колебательной энергии, мощность которого прямо пропорциональна квадрату амплитуды смещения. Колеблющийся торец инструмента-волновода, введенный в среду у поверхности кости, создает физико-химические явления, характерные для ультразвуковой акустики: кавитация, акустические течения, переменное давление. При использовании специального клея – циакрина, эти процессы обеспечивают его проникновение в костную ткань с последующим образованием биохимических связей и полимеризацией.

Сущность способа ультразвуковой резки биологических тканей заключается в следующем: электрические колебания ультразвуковой частоты (22-66) кГц преобразуются магнитострикционными преобразователями в механические колебания

режущего инструмента, который воздействует на биологическую ткань. Колебательная система при резании настраивается в резонанс упругих продольных колебаний. Форма и размеры режущей части инструмента зависят от вида биологических тканей.

При этом используются все составляющие биологического действия ультразвуковых колебаний (контактный нагрев и диссекция тканей, противо-метастатический и антисептический эффекты).

Методическими особенностями применения ультразвуковых технологий являются минимальные интенсивности (6-8) Вт/см² и амплитуды (около 30 мкм) колебаний при контакте с органом. Оптимально использование волновода-долота, акустическая зона которого направлена в сторону удаляемой части органа.

Ультразвуком осуществляется деструкция образований слизистых оболочек и кожи. Производится воздействие низкочастотным ультразвуком 26,5 кГц в контактном режиме. При этом волновод располагается перпендикулярно поверхности, скорость его продвижения - 6-10 см/с, интенсивность излучения (8-10) Вт/см² с амплитудой колебаний до 60 мкм.

Лапароскопия

Лапароскопия - хирургический метод вмешательств в брюшную полость пациента. Лапароскопию проводят под наркозом. В брюшной стенке делается три-четыре прокола, размер каждого не превышает 5-10 мм. С помощью специального прибора лапарофлятора в брюшную полость вводят углекислый газ, чтобы приподнять брюшную стенку. Через этот же прокол вводится источник света. Через прокол хирург вводит инструменты-манипуляторы. За ходом операции врач следит, глядя на экран. Методом лапароскопии удаляются полипы, миомы матки. Операция гистероскопия менее травматична, при этом инструменты вводятся через шейку матки.

С помощью ультразвукового хирургического метода проводится эффективное лечение некоторых болезней.

Болезнь Меньера. Взамен традиционной хирургии ультразвук может применяться и при лечении болезни Меньера. Сущность болезни состоит в нарушениях во внутреннем ухе, что приводит к приступам головокружения. Тонкий ультразвуковой пучок большой интенсивности направляется на латеральный полукружный канал уха для разрушения нейроэпителия кристы и макулы в лабиринте. Для этого метода лечения очень важна точная дозиметрия, поскольку вблизи полукружного канала проходит лицевой нерв и разрушение этого нерва ведет к лицевому параличу. По существующей методике, в сосцевидном отростке височной кости проделывается желобок в который вводится ультразвуковой излучатель. Это позволяет облучить лабиринт. Нервные окончания в нем разрушаются, пациенты избавляются от головокружений, при этом слух не изменяется.

Болезнь Паркинсона. Неконтролируемые подергивания головы и конечностей, которые являются симптомами этой болезни, можно ликвидировать, нарушив деятельность некоторых глубинных участков мозга.

В офтальмологии наиболее распространенным случаем использования ультразвука является удаление катаракты из хрусталика глаза - факоэмульсификация. Кончик инструмента делается в форме полой трубочки, которая вставляется в небольшое отверстие в глазу.

Кончик вибрирует, разрушая хрусталик, и небольшие его фрагменты высасываются через трубочку.

Применение ультразвука в стоматологии.

Ультразвук используется для лечения периодонтита и для удаления камней.

Инструмент, используемый для лечения зубов, состоит из стержневого ультразвукового преобразователя и имеет на конце наконечник в котором возбуждаются продольные колебания диапазоне частот 25 -42 кГц с амплитудой в диапазоне 6-100 мкм. Ультразвук позволяет счистить и удалить налипшие скопления с поверхности зубов и их корней. Наконечником можно чистить, стирать и шлифовать

зубы, избавляя их от камней, бляшек, остатков пищи, пятен и размягченного цемента. Фотомикрографические исследования показали, что после ультразвуковой очистки поверхность зуба становится более гладкой, чем после ручной обработки. Ультразвуковые инструменты могут использоваться для выскабливания патологического зубодесневого кармана. В этом случае наконечник может прикладываться к мягкой ткани для того, чтобы произвести слабое прижигание.