Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Якщо середовище, в якій відбувається поширення ультразвуку, володіє в'язкістю і теплопровідністю, то при поширенні УЗ хвилі відбувається її поглинутої щення, тобто в міру віддалення від джерела її енергія зменшується.
Переважна частина поглиненої тканиною енергії перетворюється в тепло, менша частина викликає незворотні структурні зміни.
Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку поглинається на молекулярному рівні і 1/3 на рівні мікроскопічних тканинних структур.
Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань - поглинання при підвищенні частоти швидко збільшується. Теоретично, поглинання пропорційно квадрату частоти.
Слід зазначити, що поглинання ультразвуку в біологічних тканинах не підкоряється загальним закономірностям для однорідних середовищ. У біологічних тканинах існує не квадратична, а лінійна залежність поглинання від частоти. Це пояснюється неоднорідністю тканин. Неоднорідністю біологічних тканин обумовлена і різна ступінь поглинання ультразвуку. Наприклад, найменше поглинання спостерігається в жировому шарі і майже вдвічі більше в м'язовій тканині. Сіра речовина мозку в два рази більше поглинає ультразвук, ніж біле. Мало поглинає ультразвук спинномозкова рідина. Найбільше поглинання спостерігається в кістковій тканині.
Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в опромінюється середовищі.
Інтенсивність УЗ при проходженні через тканини зменшується за експоненціальним законом:
де I - інтенсивність УЗ хвилі на глибині проникнення h,
I0 - інтенсивність УЗ хвилі у поверхні речовини,
до - коефіцієнт поглинання, який залежить від щільності і в'язкості середовища, а також від частоти УЗ хвилі.
Крім того, можливо аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань в деяких діапазонах частот - це залежить від особливостей молекулярної будови даної тканини.
Коефіцієнт проникнення УЗ хвилі в інше середовище дорівнює відношенню інтенсивностей:
де I2 - інтенсивність преломленной хвилі, I1. - інтенсивність падаючої хвилі.
Релей показав, що:
Коефіцієнт поглинання обернено пропорційний глибині проникнення УЗ хвилі, на якій її інтенсивність зменшується в «е» раз - до
Чим більше частота УЗ хвилі, тим менше глибина її проникнення. Так при частоті (800-900) кГц ультразвук проникає на глибину 4-5 сантиметрів, а при частоті (1600 - 2600) кГц на 1см.
Структури, в яких відбувається повне затухання УЗ хвиль, тобто через які УЗ не може проникнути, дають позаду себе акустичну тінь (наприклад, кальциновані структури серця).
У медичних дослідженнях поглинання УЗ хвиль оцінюється глибиною полупоглощенія. Глибину полупоглощенія можна визначити, використовуючи закон:
де Н - глибина полупоглощенія. це глибина, на якій інтенсивність УЗ хвилі зменшується вдвічі,
h - глибина проникнення.
Наприклад, при частоті 1 МГц, у воді Н = 350 см (к = 0,001), в крові 17 см (к = 0,01).
У наведеній таблиці. 4 представлені значення коефіцієнта поглинання k і глибини полупоглощенія Н на різних частотах для різних тканин:
Ослаблення УЗ в біологічних тканинах за рахунок розсіювання
При проходженні УЗ в тканинах з його подальшим відображенням і поверненням в приймач слід враховувати не тільки поглинання тієї чи іншої тканиною, але і розсіювання як на самих тканинах, так і на які поділяють їх межах. Розсіювання ультразвуку - це явище має місце завжди, коли поширюється в середовищі ультразвук відхиляється в усіх напрямках за рахунок неоднорідності середовища.
Механізм дії ультразвуку на речовину і біологічні тканини
2.1. механічна дія
2.2. теплова дія
2.3. хімічна дія
2.4. Біологічна дія на клітинному рівні
При поширенні УЗ в речовині виявляються різні види взаємодії ультразвуку з речовиною.
При поширенні УЗ в реальних середовищах відбувається взаємодія хвилі з середовищем. Середовище визначає поширення і ослаблення хвилі. Хвиля впливає на саме середовище.
Ультразвук, який використовується в діагностиці при рівнях інтенсивності менше 0,1 Вт / см 2. практично не має шкідливого впливу на біологічні об'єкти. Однак при більш високих рівнях для високочастотного ультразвуку в рідких неоднорідних середовищах ультразвук впливає на біологічні середовища обумовлене механічним, тепловим і хімічним дією.
Більшість первинних фізико-хімічних реакцій в живому організмі при дії УЗ локальні. Однак ці дії можуть викликати реакцію організму в цілому.
Розглянемо механічне, теплове і хімічне дію УЗ на біологічні об'єкти.
Механічний ефект обумовлений самою природою ультразвуку, що представляє собою коливальний рух частинок газоподібних, рідких і твердих середовищ, і пов'язаний зі змінним акустичним тиском під час стиснення і розтягування середовища і силами, що розвиваються внаслідок великих прискорень частинок.
При впливі УЗ на біологічні об'єкти, частки середовища роблять інтенсивні коливальні рухи, при цьому, наприклад, в рідинах (м'яких тканинах) при інтенсивності УЗ 1 Вт / см 2 на частоті 1МГц амплітуда зсувів складає 0,2 мкм, амплітуда коливальної швидкості 12см / с .
При малої інтенсивності ці коливання обумовлюють мікромасаж структурних елементів тканини, що сприяє поліпшенню обміну речовин.
Виникаючі при цьому зміщення стінок клітин наближаються до пороговим зсувів, що обумовлює біоелектричну активність механорецепторов. На частоті 10 МГц порогові зміщення елементів клітин відбуватимуться вже при інтенсивності 0,1 Вт / см 2. Таким чином жива клітина може зазнавати значних впливу вже при досить низьких інтенсивностях високочастотного УЗ.
Акустичні течії, акустичні потоки
Поширення ультразвукових хвиль великої інтенсивності в газах і рідинах викликає рух середовища, яке називається акустичним плином, рис.6.
Рис.6 .Акустіческое протягом при поширенні ультразвуку
Виникають також акустичні потоки (звуковий вітер), швидкість яких досягає 10 м / с, які можуть перемішувати опромінювані рідини, змінюючи їх фізичні властивості.
Вивчено три типи акустичних течій.
Перший тип, це дрібномасштабні течії, що виникають на поверхні розділу фаз в прикордонному шарі. Вони мають віхреобразний характер.
Другий тип акустичних потоків виникає поза прикордонним шаром.
Третій тип - це течії спрямовані від випромінювача у напрямку ультразвукового променя, при цьому створюється динамічний тиск на об'єкти знаходяться на шляху течії.
У плоскій хвилі, в однорідних середовищах, при низьких рівнях інтенсивності УЗ, переміщення частинок середовища обмежуються коливальними рухами біля положення рівноваги. Для неоднорідних середовищ, якими є біологічні середовища, до коливальних рухів додаються руху поступальні, що викликає акустичні потоки (мікропотоки). Чим вище рівні інтенсивності УЗ, тим сильніше ці ефекти. Уже при інтенсивності 0,1 - 1 Вт / см 2 в клітинах і міжклітинному просторі починають виникати сильні мікропотоки.
Акустичні течії і мікропотоки, здатні породжувати як поза, так і всередині клітин прискорення дифузійних процесів, а також вихрові руху, які можуть викликати розрив клітинних мембран, деформацію і переміщення внутрішньоклітинних структур і цитоплазми.
Поширення ультразвукової хвилі в середовищі пов'язано з механічними деформаціями середовища. Деформації відбуваються в результаті послідовного згущення і розрядження часток середовища, що створює змінне тиск в середовищі. Залежно від інтенсивності ультразвукової хвилі, ці деформації можуть викликати або незначна зміна структури, або її руйнування.
У рідких середовищах, при дії ультразвуку, амплітуда змінного тиску змінюється в залежності від щільності середовища, швидкості поширення ультразвукових хвиль, інтенсивності і частоти коливання частинок середовища. У момент розтягування, при зниженні тиску, в окремих ділянках рідини відбувається порушення суцільності рідкого середовища - рідина може розірватися, при цьому в рідині можуть утворитися мікропорожнини (каверни), які в деякій мірі заповнюються парами рідини або розчиненими в ній газами. Подальше стиснення призводить до закриттю утворилися бульбашок. Перед зачиненням в них створюється великий тиск. Тому в момент зникнення бульбашок відбуваються потужні гідравлічні удари, і виникає ударна хвиля з великими змінними тисками, що володіє великою руйнівною силою. Це явище називається кавітацією.
Освіта і подальше поширення ударних хвиль, можуть призводити до розривів і пошкоджень структури біологічних тканин.
Для виникнення кавітації необхідно досягнення певного значення інтенсивності ультразвуку (порогового значення). Величина порогового значення залежить від частоти ультразвуку і сил зчеплення в рідині. Розтягування, яке можуть витримати рідини, залежить від домішок в них (наявність
газів і газових бульбашок). Кавітація в тканинах під дією нефокусірованного УЗ може спостерігатися при інтенсивності більше 0,6 Вт / см 2 на частоті 1МГц. При утворенні каверн середня щільність рідини знижується, а швидкість коливального руху частинок середовища збільшується. Так як для освіти порожнин потрібен якийсь час, то при дуже високих частотах (понад 5 МГц) кавітація не спостерігається.
Кавітаційні мікропорожнини, що утворюються в середовищі при ультразвуковому впливі, існують короткий час. Знижений тиск в кожній точці середовища існує лише протягом напівперіоду коливань, потім змінюється підвищеним тиском, що призводить до швидкого закриттю мікропорожнин. В результаті збільшення коливального руху частинок середовища, а також закривання каверн, в невеликих обсягах виділяється велика теплова енергія. Поглинання енергії ультразвуку викликає підвищення температури середовища.
Кавітація, також, супроводжується утворенням хімічно активних частинок, які вступають в реакцію з біомакромолекул, істотно змінюючи їх властивості.
Кавітація може супроводжуватися світінням - електромагнітним випромінюванням збуджених молекул в фазі освіти ударної хвилі.
Ефект кавітації використовується, зокрема, в ультразвуковому скальпелем.
Дія на мембрани
Механічні дії УЗ хвиль на біологічні системи можуть змінювати в'язкість цитоплазми, порушувати градієнти концентрації різних речовин в безпосередній близькості від клітинних мембран і навіть порушити цілісність клітинних мембран. У всіх випадках в результаті впливу механічних збурень на клітку виникає зміна умов транспортування молекул і іонів через клітинну мембрану.
Що виникає при проходженні ультразвукових хвиль ділянки згущування і розрядки середовища створюють додаткові зміни тиску в середовищі по відношенню до навколишнього її зовнішньому тиску. Таке додаткове зовнішнє тиск носить назву тиску випромінювання. Воно служить причиною того що при переході ультразвукових хвиль через кордон рідини з повітрям може виникнути фонтанування рідини (рис.7) і розпорошення її з утворенням досить дрібнодисперсного туману.
Рис.7. Фонтан рідини при падінні ультразвукового пучка.
Цей механізм використовується для створення аерозолів лікарських речовин.
Тепловий ефект дії ультразвуку залежить від його інтенсивності і тривалості.
Проходження ультразвуку в середовищах супроводжується їх нагріванням внаслідок перетворення механічної енергії в теплову в результаті поглинання ультразвуку. Крім того, утворення тепла обумовлено фізичним явищем, званим «ефектом прикордонних поверхонь». Сутність його полягає в посиленні дії ультразвуку на межі поділу двох середовищ. Посилення теплового ефекту пов'язано з відображенням коливань від прикордонних поверхонь: чим більше відображення, тим більше виражено дію. Це наочно демонструє такі досліди. Масло нагрівали в ультразвуковому оле, далі в масло занурювали металеві кульки, температура масла після цього підвищувалася. При зменшенні розміру кульок і збільшенні їх числа, при незмінному їх загальній вазі, температура ще більше підвищувалася за рахунок збільшення загальної поверхні кульок. Досвід показує, що зі збільшенням поверхні, що відбиває коливання, теплове дію посилюється.
При щільному приляганні джерела ультразвуку до шкіри пацієнта не спостерігається неприємних відчуттів. Але якщо між шкірою і голівкою випромінювача є невеликий прошарок повітря, з'являється відчуття печіння. Посилення теплового ефекту обумовлено інтенсивним відображенням ультразвукових коливань на кордоні шкіра - повітря внаслідок великої різниці в їх акустичних опорах. Так само при цьому може мати місце явище інтерференції падаючих і відбитих ультразвукових хвиль.
Тепловий ефект проявляється і при поширенні ультразвуку в повітрі. Так, при інтенсивності 160? Вт / м 2 (частота 20 кГц) вата запалала через 6 секунд; сталева стружка нагрівалася до червоного за 1 хвилину
При поширенні УЗ в біологічних середовищах відбувається поглинання енергії хвилі і перехід її в теплоту. При цьому інтенсивність УЗ слабшає з відстанню по експоненціальному закону. Величина поглинання в рідкому середовищі значно менше, ніж в м'яких тканинах і тим більше в кістковій тканині. При частоті 1МГц на відстані 1 см рівень інтенсивності УЗ енергії зменшується в м'яких тканинах, м'язах і кістках відповідно на 1дБ, 2,3дБ і 13дБ. З ростом частоти поглинання різко зростає. Так на частоті 3 МГц в м'язах і кістках зменшення рівня інтенсивності становить, відповідно, 5дБ і 55дБ.
Підвищення температури середовища буде визначатися інтенсивністю, тривалістю впливу, частотою ультразвуку, режимом впливу (безперервний, імпульсний), властивостями середовища.
Тепло, необхідне для нагрівання м'язової тканини на 5-7 ° С при інтенсивності 1 Вт / см 2 і частоті 1МГц, може в залежності від умов теплообміну і властивостей тканини виділяться за 0,5-5 хвилин. Характерно, що освіта тепла відбувається не рівномірно по всій товщині тканини, а найбільш помітно на кордонах середовищ з різними хвильовими опорами. Локальний нагрів тканин на одиниці градусів, використовується в УЗ фізіотерапії.
Нагрівання тканин на долі і одиниці градусів, як правило, призводить до перегріву тканин і їх загибелі.
У хірургії УЗ вплив на біотканини призводить до її руйнування, що досягається фокусуванням потужних УЗ пучків, що забезпечує отримання інтенсивностей більше 1 кВт / см 2. При цьому за кілька секунд в обсязі тканини 1-2 мм 3 температура підвищується до 100 ° С, що і призводить до її руйнування.
При поширенні УЗ можуть утворюватися іони і радикали. Один з механізмів цього процесу наступний.
При утворенні кавітаційних порожнин на прикордонних поверхнях можливе виникнення електричних зарядів. При закритті каверн молекули середовища рухаються з великою швидкістю і відчувають взаємне тертя. В результаті всього цього молекул середовища, вони можуть порушуватися і іонізуватися, так як можливий розрив молекулярних зв'язків. Це призводить також до утворення іонів і радикалів. Зокрема, іонізація молекул води призводить до утворення вільних гідроксильних радикалів і атомарного водню:
У хімічному відношенні продукти розпаду іонізованих молекул води вкрай активні. Саме їх великою активністю обумовлений ряд общебиологических ефектів, що виявляються під впливом ультразвуку: окисляє дію ультразвуку, розпад білків, деполимеризация білкових з'єднань, інактивація ферментів, прискорення хімічних реакцій, зміна рН середовища, розщеплення високомолекулярних сполук.
Все що виникли реакційно здатні речовини можуть вступати у взаємодію з різними молекулами, тобто надавати хімічне дію на молекулярному рівні.