Физические характеристики ультразвука как физического фактора

Лекция № 1

Физические характеристики ультразвука как физического фактора

Литература

слайд № 0

1. А.Н.Ремизов, А.Г.Максина, А.Я.Потапенко. Медицинская и биологическая физика.-М.: Дрофа, 2010 г.

2. В.Ф. Антонов, А.М. Черныш и др. Физика и биофизика.-М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008 г.

3. В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами..-М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008 г.

4. В.Н. Федорова, Л.А. Степанова. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. –М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005 г.

5. М.Е. Блохина, И.А. Эсаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике..-М.: Дрофа, 2003 г.

6. В.Ф. Антонов, А.М. Черныш и др. Практикум по биофизике.-М.: Владос, 2001 г.

Неслышимые звуки... Непривычное сочетание слов. Между тем такие звуки действительно существуют в природе, и в них нет ничего необыкновенного. С ними, сами того не замечая, мы встречаемся на каждом шагу. Ультразвуки наряду со слышимыми звуками издают тикающие часы, летящий самолет, телефонный звонок.

Применение ультразвуковых колебаний для исследования внутренней структуры вещества ведет начало с 1928 года, когда был создан метод ультразвуковой дефектоскопии, т.е. способ обнаружения раковин, пор, трещин в металлических отливках. Физической основой этого метода является различие в пропускании ультразвука сплошным металлом и при наличии в нем неоднородности. Измеряя интенсивность прошедшей через отливку ультразвуковой волны, можно обнаружить указанные выше дефекты. В 1935 году был разработан метод выявления ультразвукового эха, т.е. отражения от встречающихся на пути распространения ультразвуковой волны различных дефектов и инородных включений. Оба описанных метода нашли применение в медицине. В 40-х годах для исследования внутричерепных повреждений измеряли интенсивность ультразвука, прошедшего через череп и мозг больного, а в 50-х годах появились медицинские аппараты, работающие по принципу эха.

Изучением ультразвука и его применением занимается большое количество различных институтов и лабораторий как в нашей стране так и за рубежом. Такие лаборатории имеются на физических факультетах МГУ, ЛГУ и других университетах страны. В университетских лабораториях Англии, Японии, Франции, Германии, Италии и других.

Применение ультразвука в медицине существенно обогатило арсенал диагностических и лечебных методов, позволило не только бороться с некоторыми болезнями, но и повышать жизнеспособность и сопротивляемость здорового организма неблагоприятным внешним условиям.

Ультразвук – упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20 кГц и до 1ГГц. Область частот ультразвука от 1 до 1000 ГГц принято называть гиперзвуком. Ультразвуковые частоты делятся на три диапазона:

- УНЧ (ультразвук низких частот) – 20-100 кГц;

- УСЧ (ультразвук средних частот) – 0,1-10 МГц; слайд № 1

- УЗВЧ (ультразвук высоких частот) – 10-1000 МГц;

Каждый диапазон имеет свои особенности медицинского применения.

Лекция №2

Разрушение микроорганизмов

Облучение ультразвуком с интенсивностью, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов.

Лекция № 3

Лекция № 4

Применение ультразвука в медицине для терапевтических и хирургических целей

УЗ – терапия

Происходящие в ультразвуковой волне колебательные движения частиц вещества характеризуются весьма малой амплитудой их смещения от положения равновесия и чрезвычайно большими ускорениями. Так, например, при частоте 880 кГц частицы вещества, из которого состоят ткани тела, где распространяется волна интенсивностью около 2 Вт/см² (максимальная интенсивность, используемая при ультразвуковой терапии), колеблются с амплитудой порядка 3,5 ∙ 10^-8 см. Максимальное ускорение достигает при этом 10⁶ м/с², что превышает величину ускорения свободного падения тел почти в миллион раз.

На колеблющиеся частицы вещества действуют значительные величины переменного (акустического) давления. Так, например, при терапевтическом применении ультразвука с вышеуказанными параметрами амплитуда переменного давления достигает 2,7 атмосфер.

Огромное ускорение и значительные давления, испытываемые частицами среды при ультразвуковых колебаниях, определяют в значительной степени действия ультразвука (в том числе и лечебное) на ткани организма.

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым и 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.

Фонофорез – введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, в отличие от электрического поля, УЗ-поле перемещает не только ионы, но и незаряженные частицы. Под действием УЗ увеличивается проницаемость клеточных мембран, что способствует проникновению лекарственных веществ в клетку, тогда как при электрофорезе лекарственные вещества концентрируются в основном между клетками.

Ультрафонофорез–сочетанное действие ультразвука и лекарственного вещества. Ультразвуковые колебания повышают фармакологическую активность лекарственного вещества, способствуют его повышенному проникновению в биоткани через потовые и сальные железы. При этом также возможен чрескожный и межклеточный путь проникновения лекарственных веществ в глубину биоткани.

Основанием для разработки и внедрения метода в клиническую практику послужили прежде всего сведения о способности ультразвука разрыхлять соединительную ткань, повышать проницаемость кожи и гистогематических барьеров, увеличивать диффузию и потенцировать действие лекарств, а также усиливать транскапиллярный транспорт жидкостей и растворимых в них веществ.

Ультразвук к тому же может снижать побочное действие вводимых лекарственных веществ. При проведении процедуры лекарственное вещество включают в состав контактной среды. Оно при озвучивании должно сохранять свою структуру и фармакотерапевтическую активность, а действие его должно быть однонаправленным с действием ультразвука для обеспечения синергизма их влияния на организм.

При фонофорезе лекарственное вещество в небольшом количестве (около 3-5% от нанесенного на кожу) поступает в эпидермис, собственно кожу, но уже вскоре после процедуры обнаруживается на глубине 2-5 см. Установлено, что при фонофорезе через слизистые оболочки лекарственного вещества вводится на 20-30 % больше.

Количество поступающего в организм при фонофорезе вещества возрастает при

- увеличении интенсивности и длительности воздействия;

- проведении процедуры по лабильной методике;

- использовании непрерывного режима генерации ультразвука;

- правильном подборе контактной среды.

Имеет значение и частота звука: чем она ниже, тем в большем количестве, при прочих равных, условиях поступает вещество в организм при фонофорезе.

Методика фонофореза заключается в следующем: лекарственное вещество, входящее в состав контактной среды, может быть приготовлено в виде эмульсии, мази или лекарственного раствора. В качестве основ для контактных сред при ультрафонофорезе наиболее целесообразно использовать глицерин, безводный ланолин или его смесь с вазелиновым маслом, растительные масла. Они обеспечивают быстрое высвобождение лекарственных веществ и содействуют их массопереносу в кожу при фонофорезе. Затем лекарственное вещество помещают непосредственно на кожу или, если оно приготовлено в виде раствора, в ванночку. Во время процедуры контактная среда с лекарством наносится дополнительно, а после процедуры оставляется на теле больного.

Воздействие проводят чаще всего по лабильной методике при интенсивности ультразвука 0,2-0,6 Вт/см² и в непрерывном режиме. Продолжительность процедуры 5-15 минут, курс лечения 10-15 процедур, вводимых ежедневно или через день.

В кровь они начинают поступать через 1 час после процедуры, достигают максимальной концентрации через 12 часов и находятся в тканях в течение 2-3 суток.

За последние 10 лет появилось огромное количество новых лекарственных препаратов, выпускаемых ввиде аэрозолей. Они часто используются при респираторных заболеваниях, хронических аллергиях, для вакцинации. Аэрозольные частицы размером от 0,03 до 10 мкм применяют для ингаляции бронхов и легких, для обработки помещений. Их получают с помощью ультразвука. Если такие аэрозольные частицы зарядить в электрическом поле, то возникают еще более равномерно рассеивающиеся (так называемые – высокодисперсные) аэрозоли. Обработав ультразвуком лекарственные растворы, получают эмульсии и супензии, которые долго не расслаиваются и сохраняют фармакологические свойства. Лекарственное вещество в таких суспензиях и эмульсиях раздроблено до мельчайших частиц размером 0.1-0,5 мкм и приобретают качественно другие свойства. Например, эмульсия рыбьего жира, приготовленная с помощью ультразвука, лишена характерного запаха и вкуса, иногда неприятного для многих пациентов. В клинике успешно применяются высокоактивные эмульсии касторового и вазелинового масел. Большие возможности дает ультразвуковая обработка и при производстве лейкоцитарного интерферона. Препараты наиболее качественного интерферона получают из свежевыделенных лейкоцитов донорской крови. Оказалось, что облучение суспензии лейкоцитов ультразвуком (0,05 Вт/см² – 0.06Вт/см² ) увеличивает выход интерферона на 20-30%.

Весьма перспективной оказалась транспортировка липосом - жировых микрокапсул, заполненных лекарственными препаратами, в ткани, предварительно обработанные ультразвуком. В тканях, подогретых ультразвуком до 42-45 ⁰ С, сами липосомы разрушаются, а лекарственное вещество попадает внутрь клеток сквозь мембраны, ставшие проницаемыми под действием ультразвука. Липосомный транспорт чрезвычайно важен при лечении некоторых острых воспалительных заболеваний, а также в химиотерапии опухолей, поскольку лекарственные вещества концентрируются только в определенной области, почти не затрагивая другие ткани.

Аутогемотерапия – внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура оказывается более эффективной, если взятую кровь перед вливанием облучить УЗ.

УЗ – облучение повышает чувствительность клетки к воздействию химических веществ. Это позволило создавать менее вредные вакцины, так как при их изготовлении можно использовать химические реактивы меньшей концентрации.

Предварительное воздействие УЗ усиливает действие ϒ- и СВЧ- облучения на опухоли.

В физиотерапии УЗ используется для локального воздействия, осуществляемого с помощью соответствующего излучателя, контактно наложенного через мазевую основу на определенную область тела.

УЗ в косметологии. Давно известно, что при заболеваниях кожи изменяется ее упругость и плотность. Прыщик, бляшка, отек, увядание кожи отражаются на скорости поверхностных ультразвуковых волн, что используют для диагностики кожных заболеваний. Для этой цели служат специальные акустические кожные анализаторы. Не так давно были разработаны ультразвуковые приборы, позволяющие исследовать физиологическое состояние не только поверхности, но и каждого из слоев кожи, а также подкожной жировой ткани и ногтей. Изменения в соединительнотканном и мышечном слое проявляются задолго до появления морщин, складок и других признаков увядания. Их можно обнаружить с помощью ультразвука частотой 200 МГц. Такого рода исследования проводят известные косметические фирмы, предлагая покупателям много новых рецептов. Каждое из средств по уходу за кожей проходят тщательный и всесторонний контроль, изучаются возможные побочные эффекты, реакция организма на его применение. Эту трудоемкую работу можно значительно облегчить с помощью ультразвуковых приборов, которые контролируют физиологическое состояние кожи. В результате ускоряются сроки апробации препаратов, снижаются затраты времени и средств.

УЗ –хирургия

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. Несколько излучателей, укрепленных на теле пациента, испускают пучки УЗ, фокусирующиеся на опухоли. Интенсивность каждого пучка недостаточна для повреждения здоровой ткани, но в том месте, где пучки сходятся, интенсивность возрастает и опухоль разрушается под действием кавитации и тепла.

В урологии с помощью механического действия УЗ дробят камни в мочевых путях и этим спасают больных от операций.

Сваривание мягких тканей. Если наложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения образуется сварной шов.

Сваривание костей (ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидкимполимером (циакрин), который под действием УЗ быстро полимеризируется. После облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.

Наложение УЗ-колебаний на хиругические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает кровоостанавливающее и стерилизующее действие. Сегодня бурно развивается ультразвуковая хирургия.

Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20-50 кГц составляет 10-50 мкм. Хирург, работающий с ультразвуковым ножом-скальпелем, ощущает сопротивление ткани и без труда может контролировать глубину разреза.

слайд №

Уменьшается и кровотечение при операции, поскольку лезвие ультразвукового ножа, колеблясь, повышает температуру у кромки разреза и кровь быстро свертывается. Само по себе ультразвуковое воздействие обезболивает оперируемую ткань.

Гораздо легче обстоит дело и со стерилизацией хирургических инструментов. Когда их опускают в дезинфицирующий раствор, одновременно включают ультразвук, и возникающие микропотоки жидкости хорошо очищают поверхность, а мембраны микробных клеток становятся проницаемыми для дезинфицирующего раствора. Если создать такие микропотоки в растворе антибиотиков, можно стерилизовать и обычные хирургические инструменты, и руки хирурга. Полная стерилизация занимает всего полторы минуты, а дезинфицирующих веществ требуется гораздо меньше.

Обработка ультразвуком используется при склеивании резанных ран, а также, при герметизации швов – она не дает развиваться микрофлоре между хирургическим клеем и больной тканью и ускоряет полимеризацию самого клея. Используется также ультразвуковая сварка мягких тканей с костью – на месте соединения при этом нет рубцов и шрамов.

Нередко успех операции зависит не только от искусства хирурга, а еще и от того, удалось ли избежать послеоперационных осложнений. Глубокие раны заполняют раствором антибиотика и вводят в них крошечный ультразвуковой волновод диаметром 3-5 мм. Ультразвуковые колебания вызывают движение микропотоков жидкости, которые смывают с поверхности раны микробы, омертвевшие клетки, сгустки крови, так что рана становится практически стерильна. Кроме того, воздействие ультразвука на больной участок, как уже говорилось, усиливает обмен веществ, улучшает кровоснабжение и снимает отек, что способствует быстрому заживлению. Такую «очистку» производят также при внутриполостных операциях. УЗ-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 холестериновые утолщения в сосуде.

 

Лекция № 5

Лекция № 6

Лекция № 7

Лекция № 1

Физические характеристики ультразвука как физического фактора

Литература

слайд № 0

1. А.Н.Ремизов, А.Г.Максина, А.Я.Потапенко. Медицинская и биологическая физика.-М.: Дрофа, 2010 г.

2. В.Ф. Антонов, А.М. Черныш и др. Физика и биофизика.-М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008 г.

3. В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами..-М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008 г.

4. В.Н. Федорова, Л.А. Степанова. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. –М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005 г.

5. М.Е. Блохина, И.А. Эсаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике..-М.: Дрофа, 2003 г.

6. В.Ф. Антонов, А.М. Черныш и др. Практикум по биофизике.-М.: Владос, 2001 г.

Неслышимые звуки... Непривычное сочетание слов. Между тем такие звуки действительно существуют в природе, и в них нет ничего необыкновенного. С ними, сами того не замечая, мы встречаемся на каждом шагу. Ультразвуки наряду со слышимыми звуками издают тикающие часы, летящий самолет, телефонный звонок.

Применение ультразвуковых колебаний для исследования внутренней структуры вещества ведет начало с 1928 года, когда был создан метод ультразвуковой дефектоскопии, т.е. способ обнаружения раковин, пор, трещин в металлических отливках. Физической основой этого метода является различие в пропускании ультразвука сплошным металлом и при наличии в нем неоднородности. Измеряя интенсивность прошедшей через отливку ультразвуковой волны, можно обнаружить указанные выше дефекты. В 1935 году был разработан метод выявления ультразвукового эха, т.е. отражения от встречающихся на пути распространения ультразвуковой волны различных дефектов и инородных включений. Оба описанных метода нашли применение в медицине. В 40-х годах для исследования внутричерепных повреждений измеряли интенсивность ультразвука, прошедшего через череп и мозг больного, а в 50-х годах появились медицинские аппараты, работающие по принципу эха.

Изучением ультразвука и его применением занимается большое количество различных институтов и лабораторий как в нашей стране так и за рубежом. Такие лаборатории имеются на физических факультетах МГУ, ЛГУ и других университетах страны. В университетских лабораториях Англии, Японии, Франции, Германии, Италии и других.

Применение ультразвука в медицине существенно обогатило арсенал диагностических и лечебных методов, позволило не только бороться с некоторыми болезнями, но и повышать жизнеспособность и сопротивляемость здорового организма неблагоприятным внешним условиям.

Ультразвук – упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20 кГц и до 1ГГц. Область частот ультразвука от 1 до 1000 ГГц принято называть гиперзвуком. Ультразвуковые частоты делятся на три диапазона:

- УНЧ (ультразвук низких частот) – 20-100 кГц;

- УСЧ (ультразвук средних частот) – 0,1-10 МГц; слайд № 1

- УЗВЧ (ультразвук высоких частот) – 10-1000 МГц;

Каждый диапазон имеет свои особенности медицинского применения.