Ю.В.Ябуров, А.В.Хохлов Глава I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Ю.В.Ябуров, А.В.Хохлов
Глава I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ В ХИРУРГИИ
Сегодня ультразвук с успехом применяется в ряде областей медицины и в
первую очередь для лечебных целей в терапии, в диагностике различных заболеваний, в хирургической практике. С помощью ультразвука стерилизуют жидкости,
моют и дезинфицируют хирургические инструменты, руки хирурга, производят
диспергирование и ингаляцию. Иными словами, применение ультразвука в медицинской практике с каждым годом все больше расширяется. Использование ультразвука в медицине основано на физических явлениях, происходящих в биологических тканях: это различное поглощение ультразвука тканями, отличающимися
внутренним строением, отражение ультразвуковых колебаний при переходе сред
разной плотности, образование под действием ультразвука тепла в тканях (возбуждение в них колебаний, развитие различных потоков биологических жидкостей и
т.д.).
Первые работы по изучению ультразвука были сделаны ещё в XIX веке.
Французский учёный Ф. Савар (1830) пытался установить верхний предел по частоте слышимости уха человека. Изучением ультразвука занимались английский
учёный Ф. Гальтон (1883), немецкий физик В. Вин (1903), русский физик П.Н. Лебедев и его ученики (1905). Существенный вклад был сделан французским физиком П. Ланжевеном (1916), который впервые использовал пьезоэлектрические
свойства кварца для излучения и приёма ультразвука при обнаружении подводных
лодок и измерениях глубин моря. Г.В. Пирс в США (1925) создал прибор для измерения с большой точностью скорости и поглощения ультразвука в газах и жидкостях (так называемый интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных для своего времени интенсивностей ультразвука в жидкости, наблюдал
ультразвуковой фонтан и исследовал влияние ультразвука на живые организмы. В
1928 г. учёный С. Я. Соколов положил начало ультразвуковой дефектоскопии металлических изделий, предложив использовать ультразвук для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов в твёрдых телах.
В 1932 г. Р. Люка и П. Бикар во Франции, П. Дебай и Ф.В. Сирс в Германии
обнаружили явление дифракции света на ультразвуковых волнах, которое далее
2
начинает играть большую роль в изучении структуры жидких и твёрдых тел, а
также в ряде технических приложений. В начале 30-х гг. Х.О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и дисперсия ультразвука в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено в ряде сложных (например,
органических) жидкостей. Правильное теоретическое объяснение этим релаксационным явлениям было дано в общей форме учёными Л.И. Мандельштамом и М.А.
Леонтовичем (1937). Релаксационная теория явилась впоследствии основой молекулярной акустики.
Получение всё больших интенсивностей ультразвука обусловило изучение
особенностей распространения мощных волн ультразвука в газах, жидкостях, твёрдых телах; стала быстро развиваться нелинейная акустика. В 70-х гг. XX века, в
особенности после работы Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации ультразвука в пьезополупроводниках, появилась акустоэлектроника.
Под ультразвуком сегодня понимают колебания материальной среды с частотой, превышающей 16000 Гц. Колебательная энергия таких частот, разной амплитуды и интенсивности и применяется сегодня в медицине. В диагностических
исследованиях медицинская техника использует ультразвуковые колебания высокочастотного диапазона (до 20 МГц) небольшой интенсивности (0,01-0,08 Вт/см2),
обеспечивающей практическое отсутствие какого-либо вредного влияния на изучаемые объекты. С помощью направленного узкого пучка ультразвуковых волн диагностируют многие заболевания внутренних органов, определяют положение опухолей, местонахождение камней и инородных тел, участок кровоизлияния в мозге
при черепно-мозговой травме, положение хрусталика и т. п.
В медицинской диагностике получили распространение ультразвуковые устройства, основанные на эффекте Допплера, заключающемся в сдвиге частоты при
относительном перемещении источника и приемника звука. Такая методика позволяет следить за развитием плода в утробе матери, дает функциональную оценку работы сердца, измеряет кровоток в крупных сосудах и отделах сердца.
Ультразвуковая томография в результате воспроизводства объекта на экране
монитора позволяет непосредственно следить за объектом в процессе исследования. С помощью ультразвуковой томографии можно получить трехмерную карти-
3
ну, дающую объемную информацию о структуре исследуемого объекта. С учетом
безвредности и широких возможностей ультразвуковая диагностика нашла применение там, где рентгенологические исследования либо неэффективны, либо просто
недопустимы. Сегодня круг направлений применения ультразвуковой диагностики
в медицине очень широк. К ним относятся общая хирургия, онкология, травматология, нейрохирургия, офтальмология и т. д.
Не менее широко ультразвук используется в терапии при заболеваниях различных органов организма. В основе лечения ультразвуком лежит комплекс факторов, которые вследствие теплового, механического и химического воздействия вызывают противовоспалительные, обезболивающие и стимулирующие реакции в обрабатываемых тканях. Тактика ультразвуковой терапии предусматривает два метода: непосредственное облучение области заболевания и косвенное облучение. В
ряде случаев для получения наибольшего лечебного эффекта ультразвуковая терапия применяется в сочетании с другими видами физиотерапии (УВЧ, ионофорез)
или в комбинации с лекарственными веществами (фонофорез). При ультразвуковой
терапии используются ультразвуковые колебания с частотой 800-3000 кГц. Лечебная доза определяется по величине интенсивности ультразвука, которая не превышает 1,5-2,0 Вт/см2.
Ультразвук, применяемый в хирургии, основывается на двух принципах. В
одном случае используется свойство ультразвуковых волн при значительной интенсивности воздействовать разрушающе на озвучиваемые объекты при одновременном проникновении в глубину живых тканей без повреждения их. Концентрация ультразвукового пучка интенсивностью в сотни Вт/см2 на малом участке (доли
кубического миллиметра) достигается путем фокусирования колебательной энергии. В результате клетки, оказывающиеся в зоне наибольшей концентрации, подвергаются термическому разрушению (ультразвуковая абляция), в то время как окружающие ткани остаются неповрежденными. В ряде случаев принцип фокусированного ультразвука может оказаться незаменимым, позволяющим избежать выполнение сложных хирургических операций.
В другом случае применение ультразвука основано на принципе воздействия
на объект специальным хирургическим инструментом, которому сообщены колебания ультразвука низкой частоты (УЗНЧ) от 22 до 60 кГц (ультразвуковая диссек-
4
ция). При этом форма рабочей части ультразвукового инструмента зависит от его
назначения.
Первые попытки создания ультразвукового хирургического инструмента относятся к 1944 г., когда в Германии была предложена методика получения тончайших срезов для биологических исследований лезвием с наложенными на него ультразвуковыми колебаниями. Клиническое применение методов хирургического лечения с помощью ультразвуковых инструментов в нашей стране началось после
1963 г., когда в МВТУ им. Н.Э. Баумана совместно с учеными медицинских организаций были начаты работы по разработке методов ультразвуковой сварки и наплавки костных тканей, а позднее – и резки биологических тканей. Основным результатом работ, выполненных за эти годы в МВТУ им. Н.Э. Баумана и других организациях совместно с медицинскими учреждениями, является то, что в экспериментальной и клинической медицине сформировался новый раздел – ультразвуковая хирургия.
С учетом развития теоретических исследований, а также развития техники
сегодня ультразвуковые методы с успехом используются в нейрохирургии, травматологии и ортопедии, торакальной хирургии, общей хирургии, стоматологии, гинекологии, хирургии сосудов и др.
Введение в ультразвуковые технологии
1. Звуковая волна
Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах – частица среды окажется выведенной из положения равновесия, то упругие силы, действующие
на нее со стороны других частиц, будут возвращать ее в положение равновесия, и
частица будет совершать колебательное движение. Процесс распространения в
сплошной среде упругих колебаний звуковой частоты образует звуковую волну.
Звуковые колебания относятся к разряду упругих механических колебаний.
Колебания с частотой от единиц Гц до 20 Гц называются инфразвуковыми, при
частоте от 20 Гц до 20 кГц колебания создают слышимые звуки, ультразвуковые
колебания соответствуют частотам от 20 кГц до 100 МГц, а колебания с частотой
более 100 МГц получили название гиперзвуков. На рис. 1.1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg2f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3
…, n – номера октав.
5
Рис. 1.1. Логарифмическая шкала частот.
Физическая природа звуков одинакова во всем диапазоне частот. Однако, в
среде, где распространяются ультразвуковые колебания, в зависимости от их частоты, интенсивности и других факторов возникают специфические эффекты. Эти
эффекты и используются в технологических процессах.
Форма звуковой волны – это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну. Если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и
расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая
волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы
по сравнению с длиной излучаемой волны, создает сферическую волну.
Звуковые волны различаются по своему типу: они могут быть продольными,
поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения.
В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах
могут возникать также поперечные и другие названные типы волн.
В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (рис. 1.2а), поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (рис. 1.2б).
а)
6
б)
Рис. 1.2. Движение частиц среды при распространении: а) продольной волны, б) поперечной волны.
Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (рис.
1.3). При этом длина волны λ связана с частотой f через скорость распространения
волны в данном материале c: λ = c/f.
Рис. 1.3. Характеристики колебательного процесса.
Частота – это количество колебаний, совершаемых системой в единицу времени; длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду колебаний T (T = 1/f), т. е. за время, затраченное на одно колебание; амплитуда колебаний – это максимальное отклонение колебательной системы от положения равновесия.
2. Характеристики ультразвуковых колебательных систем
Важнейшей характеристикой колебательной системы является ее резонансная частота. В простейшем случае условия резонанса таковы, что на одном из линейных размеров тела укладывается кратное число полуволн. Таким образом, имеется бесконечное множество резонансных частот, каждая из которых отличается
своей модой (формой) колебаний тела.
В ультразвуковой технологии явление резонанса имеет особое значение при
настройке колебательных систем, разработке оптимальных режимов и т.д. Если
частота возбуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы, то тело будет постепенно раскачиваться, и амплитуда колебаний будет воз-
7
растать. В установившемся режиме при гармоническом возбуждении колебания
будут также гармоническими, и частота их совпадает с частотой внешней силы.
Другой характеристикой колебательной системы является ее механический
импеданс (или входное сопротивление). В общем виде он может быть определен
как отношение силы, действующей в данной точке тела, к колебательной скорости
в этой точке. Механический импеданс системы имеет ярко выраженный резонансный характер, минимум импеданса наблюдается на частоте, совпадающей с частотой резонанса системы.
Следующей характеристикой колебательной системы является ее добротность. Она определяет остроту пиков амплитудно-частотной зависимости (рис.
1.4): чем выше добротность, тем уже резонансный пик; и длительность свободных
колебаний системы.
Рис. 1.4. Вид резонансной кривой в зависимости от добротности системы:
добротность уменьшается от Q1 до Q3.
Величина добротности численно равна числу периодов, за которое амплитуда колебаний системы уменьшается в Е раз. Для нагруженной системы значение
добротности существенно зависит от величины внешней механической нагрузки,
падая по мере ее увеличения. По виду кривой амплитудно-частотной зависимости
можно приближенно определить добротность, используя выражение:
Q = fрез/∆f,
где Q – искомая добротность,
fрез – частота резонанса,
∆f – диапазон частот, отсекаемый уровнем 0.707 от максимума кривой.
3. Составные части ультразвуковой колебательной системы
8
Типовая ультразвуковая система включает в себя (рис. 1.5):
− ультразвуковой генератор;
− электроакустический преобразователь (магнитострикционный или пьезоэлектрический);
− волновод-излучатель.
Рис. 1.5. Составные части типовой ультразвуковой системы.
В некоторых случаях система может состоять только из генератора и электроакустического преобразователя, иногда она может содержать дополнительные
акустические звенья, предназначенные для увеличения амплитуды ультразвуковых
колебаний на торце волновода-излучателя, т.н. бустеры. Конструкция волновода
зависит от конкретного применения ультразвуковой системы.
Генератор формирует переменный сигнал, который, вследствие проявления
одного из физических эффектов – магнитострикционного или пьезоэлектрического,
вызывает механические колебания преобразователя, который, в свою очередь, передает их волноводу-излучателю. Ультразвуковая система работает на частоте механического резонанса акустики (преобразователь + волновод).
4. Генерация ультразвуковых волн.
Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых
источников. Механическими излучателями обычно служат разного рода сирены
прерывистого действия. В воздух они испускают колебания мощностью до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. Ультразвуковые волны в жидкостях и
твердых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными
и пьезоэлектрическими преобразователями.
Магнитострикционные преобразователи преобразуют энергию магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую) энергию. Их действие основано на магнитоупругом эффекте, т.е. на том, что некоторые металлы (железо,
никель, кобальт) и их сплавы деформируются в магнитном поле. Ярко выраженными магнитоупругими свойствами обладают и ферриты (материалы, спекаемые из
9
смеси окиси железа с окислами никеля, меди, кобальта и других металлов). Если
магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то
этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой,
пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты. Обычно такие преобразователи работают на собственной частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно преобразование энергии из
одной формы в другую. Магнитострикционные преобразователи из тонкого листового металла работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне
(от 20 до 50 кГц), на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД.
Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют электрическую энергию в энергию ультразвука. Действие их основано на обратном пьезоэлектрическом эффекте, проявляющемся в деформациях некоторых кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Этот эффект хорошо проявляется у
природного или искусственно выращенного монокристалла кварца или сегнетовой
соли, а также у некоторых керамических материалов (например, у титаната бария).
Переменное электрическое поле частоты желаемого ультразвука подается через
напыленные металлические электроды, располагающиеся на противоположных
гранях образца, вырезанного определенным образом из пьезоэлектрика. При этом
возникают механические колебания, которые и распространяются в виде ультразвука в сопредельной жидкой или твердотельной среде. Пьезоэлектрические преобразователи в виде тонких кристаллических пластинок могут излучать мощные
ультразвуковые волны частотой до 1 МГц (в лабораторных условиях получены
частоты до 1000 МГц). Длина ультразвуковой волны (обратно пропорциональная
частоте) очень мала, поэтому из таких волн, как и из световых, можно формировать
узконаправленные пучки. Достоинство керамических пьезоэлектриков состоит в
том, что из них можно отливать, прессовать или получать выдавливанием преобразователи разных размеров и форм. Такой преобразователь, выполненный в виде
чаши сферического контура, способен сфокусировать ультразвуковое излучение в
малое пятно очень большой интенсивности. Ультразвуковые линзы фокусируют
звуковые волны так же, как лупы фокусируют свет.
10
5. Ультразвуковая кавитация
При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой
интенсивности (всего несколько ватт на квадратный сантиметр) в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Жидкость без существенного изменения ее свойств
можно сильно сжать. Иначе обстоит дело, если в жидкости создать разрежение:
уже простое уменьшение давления над водой приводит к закипанию и парообразованию внутри воды. Нечто аналогичное происходит и при распространении ультразвуковой волны в жидкости: растягивающие усилия в области разрежения волны
приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само
явление стали называть ультразвуковой кавитацией (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Явление ультразвуковой кавитации: кавитационные пузырьки.
Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий
раз, когда до этой области доходит фаза разрежения ультразвуковой волны. Как
правило, кавитационные пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением
фаза сжатия приводит к захлопыванию большей их части. Поэтому кавитационные
пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением озвучивания жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная
11
волна, развивающая громадные давления. Если ударная волна встречает на своем
пути препятствие, то она разрушает его поверхность. Поскольку кавитационных
пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, кавитация может произвести значительные разрушения.
Кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого движения
твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные винты судов.
При большой скорости вращения лопастей винта происходит образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое имеет место при распространении
ультразвуковой волны. Кавитация приводит к разрушению материала, из которого
изготовлены гребные винты. В этом смысле кавитация – вредное явление. Однако
создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом, а значит, и полезное применение его на практике.
Итак, под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром
и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости
до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости
может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми или газовыми. Необходимо отметить, что понижение давления в жидкости до давления насыщенных паров возможно также при кипении или вакуумировании жидкости. Но эти процессы
распространяются по всему объему жидкости в отличие от кавитации, которая
имеет ограниченную область.
Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую за счет местного
понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, и акустическую (ультразвуковую) кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость акустических колебаний. Кавитационная каверна, заполненная паром и газом
в различных источниках, называется полостью, пузырем, пузырьком, сферой и т.п.
Будем употреблять эти термины в зависимости от рассматриваемой ситуации, так
как они вполне применимы и адекватны физической сущности кавитации. Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, вокруг них образуются
сильные микропотоки, приводящие к активной локальной турбулизации среды.
12
Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии,
связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В момент
схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по
некоторым данным до 100 МПа и 1000°С). При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также электрические разряды. После схлопывания полости в
окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве. В литературе употребляются такие термины, как захлопывание, схлопывание, аннигиляция, коллапс и т.п., которые обозначают одно явление – уменьшение радиуса пузырька R до минимального Rmin или уменьшение радиуса полости, ее деформацию и распад на несколько пузырьков. Чтобы в жидкости образовалась полость, необходимо раздвинуть ее соседние молекулы на расстояние, не менее удвоенной длины промежутка между ними.
При распространении ультразвуковых колебаний в среде возникают чередования сжатия и разряжения, причем амплитуда сжатия всегда соответствует амплитуде разряжения, а их чередование соответствует частоте колебаний ультразвуковой волны. Это явление называется ультразвуковым давлением.
При распространении ультразвуковой волны частицы среды колеблются
около своих положений равновесия (если не учитывать беспорядочного теплового
движения) и не перемещаются вместе с волной. Это свойство является одним из
признаков волнового движения, при котором происходит перенос энергии, а не
вещества. Однако при включении мощного излучателя ультразвука частицы среды,
наряду с колебательным, совершают и поступательное движение: в среде возникает
течение, направленное от излучателя и имеющее скорость, много меньшую скорости звука. Такое движение частиц среды получило название ультразвукового ветра.
13
Рис. 1.7. Ультразвуковой ветер.
При совпадении частоты генератора с основной собственной частотой волновода в последнем устанавливается стоячая ультразвуковая волна и на всей длине
волновода укладывается половина длины волны звука. Стоячая волна образуется
благодаря интерференции бегущих волн, отраженных от торцов волновода. Коэффициент отражения звуковой волны на границе твердое вещество – газ равно практически единице.
Это можно проверить на небольшом опыте. Если пальцами взяться за конец
волновода, возбужденного на основной частоте, то почувствуете, что волновод
стал «скользким». Сожмите пальцы, и у вас возникнет ощущение легкого ожога.
При выключении генератора все эти ощущения немедленно исчезают. Перемещая
пальцы к середине волновода ощущение «скользкости» уменьшится, а в середине
оно вообще пропадет. Это говорит о том, что амплитуда колебаний волновода постепенно уменьшается к его середине. Из опыта следует, что в середине волновода
действительно находится узел, а по краям – пучности смещений, т. е. в волноводе
устанавливается стоячая волна.
Проведенные исследования показали, что воздействие ультразвуковых колебаний на различные среды обусловлено эффектами кавитации, ультразвукового
ветра и ультразвукового давления, причем максимальное воздействие обусловлено
ультразвуковой кавитацией. Практически все физико-химические процессы протекают на границе раздела (межфазной поверхности), где молекулы различных сред
14
и тканей соприкасаются друг с другом. При этом любой процесс можно представить в виде трех последовательных стадий:
1. Приближение молекул двух или нескольких взаимодействующих веществ
друг к другу и их столкновение.
2. Сам процесс взаимодействия молекул.
3. Удаление продуктов реакции из зоны взаимодействия.
Рассмотрим в качестве примера процессы, протекающие в системе жидкость
– твердое тело. По современным представлениям, вблизи поверхности твердого тела формируется слой жидкости, называемый диффузионным граничным слоем, в
котором сосредоточено основное сопротивление переносу молекул реагирующих
веществ к межфазной границе или уносу продуктов реакции. Причем основное сопротивление оказывает диффузионный слой, непосредственно прилегающий к
твердому телу. В этой области перенос осуществляется молекулярной диффузией.
Очевидно, скорость физических процессов можно увеличить за счет уменьшения толщины или полного устранения диффузионного граничного слоя. Возникающая при прохождении ультразвуковой волны через жидкость УЗ кавитация и
обусловленные ею мощнейшие микропотоки жидкости, а также ультразвуковые
ветер и давление воздействуют на граничный слой и «смывают» его. При этом сопротивление переносу молекул реагирующих веществ, сред и тканей значительно
уменьшается и скорость процессов за счет этого возрастает.
Кроме толщины диффузионного граничного слоя скорость процессов зависит от величины поверхности соприкосновения реагирующих компонентов. Поэтому увеличение поверхности соприкосновения реагирующих веществ также способно увеличить скорость протекания химических и биологических процессов.
Создаваемый при прохождении ультразвуковых волн в среде ультразвуковой
ветер, вызывающий интенсивное перемешивание и мощные микропотоки от захлопывающихся кавитационных пузырьков приводят к взаимному трению твердых
частиц, движущихся в жидкости и их сверхтонкому измельчению (какое невозможно осуществить другими методами). Сверхтонкое измельчение увеличивает
межфазную поверхность реагирующих компонентов, что в свою очередь увеличивает скорость протекающих процессов. Аналогичные физические процессы протекают и в системах, состоящих из двух и более жидких компонентов. Например, это
15
имеет важное значение в обеспечении эффективности местного действия лекарственных веществ, нанесенных на рану, ускорении химизма регенераторных процессов.
При действии ультразвука на биологические объекты в озвучиваемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия
приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых
определяется
совместным
действием
механических,
тепловых
и
физико-
химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде. Биологическое действие ультразвука, то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука,
определяется главным образом интенсивностью ультразвука и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на
жизнедеятельность организмов.
Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука
(до 1-2 Вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению
тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести
к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами
служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки). При поглощении
ультразвука в биологических объектах происходит преобразование акустической
энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как
правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные
воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению
(денатурация белков и др.).
Для возникновения эффекта кавитации при воздействии ультразвуком низкой частоты необходима водная среда, причем эффективность разрушения тканей в
значительной степени зависит от содержания жидкости в клеточном и межклеточном пространствах. Так, в тканях, насыщенных влагой (жировая клетчатка, паренхима внутренних органов) разъединение тканей вследствие разрушения происхо-
16
дит наиболее интенсивно, а в тканях, относительно обедненных жидкостью (скелетные мышцы, фасции, сухожилия, оболочки сосудов, протоков), эффективность
воздействия ультразвука значимо снижается (рис. 1.8). Кроме того, ткани, обладающие эластичными свойствами вследствие высокого содержания в своем составе
эластиновых волокон, способны компенсировать воздействие УЗНЧ, погашая интенсивность ультразвуковых волн. Таким образом реализуется очень важная особенность действия ультразвука на биологические ткани – селективность. Благодаря
этому качеству можно воздействовать на ткани биоорганизма избирательно, разрушать одни структуры, сохраняя другие при одинаковой степени озвучивания
(мощности и экспозиции, площади и интенсивности контакта).
Рис. 1.8. График зависимости эффективности разрушения тканей ультразвуком в зависимости от влагонасыщенности среды.
В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит
к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук
повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии.
Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.
17
Перечисленные физические явления, вызываемые действием ультразвука,
оказались эффективным инструментом при использовании в хирургической практике. При выполнении операции ультразвук возможно использовать при рассечении живых тканей организма человека, нанося минимальную травму. Ультразвуковая кавитация уничтожает микроорганизмы и очищает рану, способствуя ее скорейшему заживлению. Такой симбиоз физики, химии и биологии является ярким
примером сотрудничества специалистов разных сфер науки для достижения конечной цели: сохранения здоровья человека и увеличения продолжительности его
жизни.
Список литературы:
1. Байер В., Дернер Э. Ультразвук в биологии и медицине (пер. с нем.) – Л. –
1958.
2. Бергман Л. Ультразвук (пер. с нем.). – М., 1956.
3. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и
Лэмба в технике. – М. – 1966.
4. Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и
твердых телах. – М., 1960.
5. Майер В.В. Простые опыты с ультразвуком. – М.: Наука. – 1987.
6. Методы неразрушающих испытаний /под ред. Р. Шарпа (пер. с англ.). – М. –
1972.
7. Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. – М. – 1964.
8. Николаев Г.А., Лощилов В.И. Ультразвуковая технология в хирургии. – М.:
Медицина, 1980.
9. Ультразвуковая технология / под ред. Б.А. Аграната. – М. – 1974.
10. Физика и техника мощного ультразвука /под ред. Л. Д. Розенберга. М. – т. 13. – 1967.
11. Физическая акустика /под ред. У. Мэзона (пер. с англ.). – М. – т. 1-7. – 1966.
12. Эльпинер И.Е. Биофизика ультразвука. – М. – 1973.
13. Interaction of ultrasound and biological tissues. Proceedings of a workshop... / ed.
by J.M. Reid and M.R. Sikov. – Wash. – 1972.