Файл: Физические основы применения ультразвука в терапии и хирургии.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.02.2024
Просмотров: 15
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, пока на поверхности не появится рябь. Можно опустить преобразователь в воду излучающей поверхностью к поверхности воды. Тогда при увеличении интенсивности на поверхности воды возникает рябь, которая чаще всего выглядит как фонтанчик.
Средняя по пространству интенсивность ультразвука терапевтических уровней может быть измерена с помощью простых балансных радиометров, а распределения амплитуды ультразвука в пучке могут быть получены с помощью миниатюрных датчиков давления или температуры.
Терапевтические излучатели обычно сделаны в виде дисков из высокодобротной пьезокерамики цирконат-титаната свинца, например PZT 4. Они помещаются в водонепроницаемую оболочку из алюминия или нержавеющей стали, прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная сторона диска граничит с воздухом. Типичный способ закрепления кристалла показан на рис. 13.1. Пространственная картина поля типичного серийного терапевтического преобразователя показана на рис. 13.2.
Существует несколько способов введения ультразвуковой энергии в обрабатываемую область. Наиболее распространенный способ — контактный, когда преобразователь прикладывается непосредственно к коже. В этом случае передача акустической энергии осуществляется через тонкий слой контактного вещества, акустический импеданс которого близок к импедансу кожи. При лечении частей тела неудобных конфигураций, например колен или локтей, облучение можно проводить при погружении тела в ванну с водой. Также могут использоваться акустически прозрачные мешки с водой. Мешок может принимать форму облучаемой части тела, а акустический контакт с кожей осуществляется через слой контактного вещества.
Обычно в качестве контактных веществ используются легко стерилизуемые жидкости с подходящим акустическим импедансом, такие как минеральное или парафиновое масла. Используются и тик-сотропные вещества (типа гелей). Их удобно использовать, поскольку в обычном состоянии они достаточно вязки, но под действием ультразвука разжижаются. Судя по опубликованным данным сравнительного изучения различных контактных жидкостей, количество энергии, передаваемое через различные жидкости, практически одно и то же, если слой достаточно тонок, и зависит скорее от давления преобразователя на контактное вещество, чем от его состава.
Во время процедуры преобразователь может удерживаться в одном положении (режим стационарного излучателя) или непрерывно перемещаться над обрабатываемой областью (режим движущегося излучателя). При любой возможности необходимо избегать режима стационарного излучателя, поскольку возможно образование стоячих волн и «горячих точек», которые могут привести к локальным повреждениям.
2.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ФИЗИОТЕРАПИИ
Ультразвук в физиотерапии применяется главным образом при лечении повреждений мягких тканей, для ускорения заживления ран, для рассасывания отеков, для размягчения рубцов и во многих других случаях. Он применяется также при костных патологиях и нарушениях кровообращения.
2.2.1. Повреждения мягких тканей
Одно из наиболее распространенных применений ультразвука в физиотерапии — это ускорение регенерации тканей и заживления ран. Общие соображения в пользу такого применения недостаточно серьезны, хотя проведенные Дайсон и др. экспериментальные исследования весьма интересны. Так, из обеих ушных раковин кролика вырезались кусочки тканей, после чего одно ухо облучалось ультразвукам, а другое оставалось в качестве контрольного. На рис. 13.3 показан ход заживления облученного уха в сравнении с контрольным. На графике видны два подъема в скорости заживления.
Наибольшая скорость заживления наблюдалась при облучении импульсным ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 SATP в режиме 2 мс : 8 мс (сигнал : пауза), но и непревывное облучение интенсивностью 0,1 Вт/см2 приводило к близкому результату. Облучение в импульсном режиме 1 мс : 79 мс интенсивностью 8 Вт/см2 приводило к увеличению пораженного участка. Все три испытываемых режима имели одну и ту же среднюю по времени интенсивность. Облучение ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 в импульсном режиме 2 мс : 8 мс приводило к более быстрому заживлению раны, чем при интенсивности 0,25; 1,5; 2 или 4 Вт/см2 в том же режиме.
Восстановление ткани лучше всего описать с помощью трех перекрывающихся фаз.
В течение воспалительной фазы фагоцитарная активность макрофагов и полиморфонуклеарных лейкоцитов ведет к удалению клеточных фрагментов и патогенных частиц. Переработка этого материала происходит главным образом при помощи лизосомальных ферментов макрофагов. Известно, что ультразвук терапевтических интенсивностей может вызывать изменения в лизосомальных мембранах, тем самым ускоряя прохождение этой фазы.
Вторая фаза в залечивании ран — пролиферация или фаза разрастания. Клетки мигрируют в область поражения и начинают делиться. Образуется гранулированная ткань и фибробласты начинают синтезировать коллаген. Интенсивность заживления начинает увеличиваться, и специальные клетки, миофибробласты, заставляют рану стягиваться. Показано, что ультразвук значительно ускоряет синтез коллагена фибробластами как in vitro, так и in vivo.
Третья фаза — восстановление. Эластичность нормальной соединительной ткани обусловлена упорядоченной структурой коллагеновой сетки, позволяющей ткани напрягаться и расслабляться без особых деформаций. В рубцовой ткани волокна часто располагаются нерегулярно и запутанно, что не позволяет ей растягиваться без разрывов. Это ведет к уменьшению растяжимости и эластичности рубца по сравнению с нормальной окружающей тканью. Есть доказательства, что рубцовая ткань, формировавшаяся при воздействии ультразвука, прочнее и эластичнее по сравнению с «нормальной» рубцовой тканью. Это показывает, что ультразвук влияет на расположение новообразующего коллагена и помогает процессу восстановления.
Драстичова с соавт. исследовали влияние ультразвука (0,85 Вт/см2) на прочность рубцов у морских свинок. Разрезы на их спинках облучались на третий или четвертый день после операции. Разрывное усилие облученных рубцов составляло 189% от контрольных в одной серии опытов и 271% в другой. Дайсон с соавт. изучали воздействие ультразвука (3 МГц, 0,5 Вт/см2) на заживление криохирургических повреждений у крыс. Поврежденные участки облучались на 0, 1, 3, 5 и 7 дни. Разрывное усилие рубцовой ткани через 1 мес. составляло 109% прочности контрольного рубца, через 2 мес. 126% от его прочности. Спустя 2 мес. прочность облученных рубцов достигала 42% прочности нормальной кожи в том же месте.
К сожалению, несмотря на широкое использование ультразвука в терапии, было проведено всего несколько широкомасштабных клинических наблюдений. Одно из них было посвящено лечению хронических варикозных язв на ногах. Язвы облучались ультразвуком частотой 3 МГц интенсивностью 1 Вт/см2 SATP в импульсном режиме 2 мс : 8 мс. После 12 сеансов лечения (3 раза в неделю на протяжении 4 недель) средняя площадь язв составляла 66,4 ± 8,8% от их первоначальной площади, в то время как площадь контрольных язв уменьшилась всего до 91,6 ± 8,9%. Измеренное увеличение температуры в облучаемых зонах не превышало 1° С. Такое увеличение температуры, вызванное другими способами, совершенно недостаточно для наблюдаемой стимуляции заживления, что доказывает нетепловой характер механизма воздействия. В работе было показано, что ультразвук может способствовать приживлению пересаженных лоскутов кожи на краях трофических язв.
С некоторым успехом ультразвук используется для размягчения и увеличения эластичности рубцов и контрактур. Несмотря на достаточную универсальность этого эффекта, механизм воздействия в этом случае неясен; возможно, он связан с комбинацией умеренного нагрева и явления, описанного ранее в этой главе.
Считается, что ультразвук может быть полезен при рассасывании отеков, вызванных повреждениями мягких тканей. В работе было проверено это широко распространенное утверждение. Искусственно созданная опухоль у крыс облучалась ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 на частотах 0,75; 1,5; 3,0 МГц в импульсном режиме. Был установлен частотно-зависимый эффект: единственной эффективной оказалась частота 0,75 МГц. Характеристики импульсного режима (2 мс : 8 мс или 2 мс : 2 мс) на эффект не влияли. Механизм, ответственный за рассасывание опухоли, остался невыясненным. Возможно, он обусловлен увеличением кровотока или местными изменениями в тканях под действием акустических микропотоков.
Без более строгих научных исследований этих и других известных явлений все рассуждения о механизмах, приводящих к положительному терапевтическому эффекту (если таковой существует), будут оставаться чисто умозрительными. Только понимание механизмов взаимодействия ультразвука с биологическими тканями позволит получить максимальный лечебный эффект.
2.2.2. Костные повреждения
Восстановление повреждений мягких и костных тканей имеет много общего. Оба процесса включают в себя воспалительную, пролиферационную и восстановительную фазы. Хотя и это подобие, и тот факт, что в процессах участвуют однотипные клетки, подталкивали к тому, чтобы исследовать возможность применения ультразвука для лечения костных повреждений, публикаций на эту тему очень мало.
При экспериментальном исследовании переломов малой берцовой кости у крыс было обнаружено, что ультразвуковое облучение во время воспалительной и ранней пролиферационной фаз ускоряет и улучшает выздоровление. Костная мозоль содержала больше костной ткани и меньше хрящей. Однако облучение в поздней пролиферационной фазе приводило к негативным явлениям — усиливался рост хрящей и задерживалось образование костной массы. Обнаружено также, что облучение ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 SATP длительностью 5 мин в импульсном режиме 2 мс : 8 мс более эффективно на частоте 1,5 МГц, чем на частоте 3 МГц. Это позволяет предположить нетепловой механизм воздействия, хотя природа его точно не установлена.
3. ХИРУРГИЯ
Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй — механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, металлических наконечников и др.
3.1. ХИРУРГИЯ С ПОМОЩЬЮ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКА
Хирургическая техника, которая в перспективе могла бы заменить традиционный скальпель, должна обеспечивать воспроизводимость и управляемость разрушения тканей, воздействовать только на четко ограниченную область, быть быстродействующей и вызывать минимальные потери крови. Мощный фокусированный ультразвук обладает большинством из этих качеств. Фокальная область может иметь типичные размеры 1 -г- 2 мм в ширину и 3^4 мм в длину.
Возможность использования фокусированного ультразвука для создания зон поражения в глубине органа без разрушения вышележащих тканей изучено в основном в операциях на мозге. Именно здесь первоначально возникла необходимость в создании таких разрушений для нужд экспериментальной нейроанатомии. Воздействие осуществлялось и на другие органы: печень, спинной мозг, почки и глаз.
Фокусирование ультразвука может быть достигнуто многими способами. Самый простой из них — это использование преобразователя, излучающая поверхность которого по форме представляет собой сферическую вогнутую оболочку, изготовленную из пьезоэлектрического материала. Фокус такого излучателя лежит на его главной оси и располагается вблизи центра кривизны оболочки. Как следует из работ Коссоффа и О'Нейла, распределение акустического поля такого излучателя может быть рассчитано. Используя подобные сферические излучатели, Робинсон и Лили, а также Уорвик и Понд произвели в мозговой ткани у крыс и кошек разрушения в фокальной области.
Хотя таким способом можно получить нагреваемую область с четко очерченными границами, регулировать глубину зоны поражения в этом случае оказывается не просто. Используя плоский излучатель совместно с различными акустическими линзами, можно добиться изменения глубины области поражения. Так как акустические линзы обычно делаются из материала, имеющего скорость звука больше, чем в воде, то для создания сходящегося пучка необходимо изготовлять линзы вогнутыми.
Главное ограничение при использовании набора из таких линз накладывает поглощение ультразвука в материале самих линз. Оптимальная передача энергии осуществляется при условии, когда линзы и излучатель разделены четвертьволновым согласующим слоем. Такие комбинации излучателя с линзами применяли Линке с соавт. при создании зон поражений в печени у крыс и кроликов и в почках у кроликов.
Средняя по пространству интенсивность ультразвука терапевтических уровней может быть измерена с помощью простых балансных радиометров, а распределения амплитуды ультразвука в пучке могут быть получены с помощью миниатюрных датчиков давления или температуры.
Терапевтические излучатели обычно сделаны в виде дисков из высокодобротной пьезокерамики цирконат-титаната свинца, например PZT 4. Они помещаются в водонепроницаемую оболочку из алюминия или нержавеющей стали, прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная сторона диска граничит с воздухом. Типичный способ закрепления кристалла показан на рис. 13.1. Пространственная картина поля типичного серийного терапевтического преобразователя показана на рис. 13.2.
Существует несколько способов введения ультразвуковой энергии в обрабатываемую область. Наиболее распространенный способ — контактный, когда преобразователь прикладывается непосредственно к коже. В этом случае передача акустической энергии осуществляется через тонкий слой контактного вещества, акустический импеданс которого близок к импедансу кожи. При лечении частей тела неудобных конфигураций, например колен или локтей, облучение можно проводить при погружении тела в ванну с водой. Также могут использоваться акустически прозрачные мешки с водой. Мешок может принимать форму облучаемой части тела, а акустический контакт с кожей осуществляется через слой контактного вещества.
Обычно в качестве контактных веществ используются легко стерилизуемые жидкости с подходящим акустическим импедансом, такие как минеральное или парафиновое масла. Используются и тик-сотропные вещества (типа гелей). Их удобно использовать, поскольку в обычном состоянии они достаточно вязки, но под действием ультразвука разжижаются. Судя по опубликованным данным сравнительного изучения различных контактных жидкостей, количество энергии, передаваемое через различные жидкости, практически одно и то же, если слой достаточно тонок, и зависит скорее от давления преобразователя на контактное вещество, чем от его состава.
Во время процедуры преобразователь может удерживаться в одном положении (режим стационарного излучателя) или непрерывно перемещаться над обрабатываемой областью (режим движущегося излучателя). При любой возможности необходимо избегать режима стационарного излучателя, поскольку возможно образование стоячих волн и «горячих точек», которые могут привести к локальным повреждениям.
2.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ФИЗИОТЕРАПИИ
Ультразвук в физиотерапии применяется главным образом при лечении повреждений мягких тканей, для ускорения заживления ран, для рассасывания отеков, для размягчения рубцов и во многих других случаях. Он применяется также при костных патологиях и нарушениях кровообращения.
2.2.1. Повреждения мягких тканей
Одно из наиболее распространенных применений ультразвука в физиотерапии — это ускорение регенерации тканей и заживления ран. Общие соображения в пользу такого применения недостаточно серьезны, хотя проведенные Дайсон и др. экспериментальные исследования весьма интересны. Так, из обеих ушных раковин кролика вырезались кусочки тканей, после чего одно ухо облучалось ультразвукам, а другое оставалось в качестве контрольного. На рис. 13.3 показан ход заживления облученного уха в сравнении с контрольным. На графике видны два подъема в скорости заживления.
Наибольшая скорость заживления наблюдалась при облучении импульсным ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 SATP в режиме 2 мс : 8 мс (сигнал : пауза), но и непревывное облучение интенсивностью 0,1 Вт/см2 приводило к близкому результату. Облучение в импульсном режиме 1 мс : 79 мс интенсивностью 8 Вт/см2 приводило к увеличению пораженного участка. Все три испытываемых режима имели одну и ту же среднюю по времени интенсивность. Облучение ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 в импульсном режиме 2 мс : 8 мс приводило к более быстрому заживлению раны, чем при интенсивности 0,25; 1,5; 2 или 4 Вт/см2 в том же режиме.
Восстановление ткани лучше всего описать с помощью трех перекрывающихся фаз.
В течение воспалительной фазы фагоцитарная активность макрофагов и полиморфонуклеарных лейкоцитов ведет к удалению клеточных фрагментов и патогенных частиц. Переработка этого материала происходит главным образом при помощи лизосомальных ферментов макрофагов. Известно, что ультразвук терапевтических интенсивностей может вызывать изменения в лизосомальных мембранах, тем самым ускоряя прохождение этой фазы.
Вторая фаза в залечивании ран — пролиферация или фаза разрастания. Клетки мигрируют в область поражения и начинают делиться. Образуется гранулированная ткань и фибробласты начинают синтезировать коллаген. Интенсивность заживления начинает увеличиваться, и специальные клетки, миофибробласты, заставляют рану стягиваться. Показано, что ультразвук значительно ускоряет синтез коллагена фибробластами как in vitro, так и in vivo.
Третья фаза — восстановление. Эластичность нормальной соединительной ткани обусловлена упорядоченной структурой коллагеновой сетки, позволяющей ткани напрягаться и расслабляться без особых деформаций. В рубцовой ткани волокна часто располагаются нерегулярно и запутанно, что не позволяет ей растягиваться без разрывов. Это ведет к уменьшению растяжимости и эластичности рубца по сравнению с нормальной окружающей тканью. Есть доказательства, что рубцовая ткань, формировавшаяся при воздействии ультразвука, прочнее и эластичнее по сравнению с «нормальной» рубцовой тканью. Это показывает, что ультразвук влияет на расположение новообразующего коллагена и помогает процессу восстановления.
Драстичова с соавт. исследовали влияние ультразвука (0,85 Вт/см2) на прочность рубцов у морских свинок. Разрезы на их спинках облучались на третий или четвертый день после операции. Разрывное усилие облученных рубцов составляло 189% от контрольных в одной серии опытов и 271% в другой. Дайсон с соавт. изучали воздействие ультразвука (3 МГц, 0,5 Вт/см2) на заживление криохирургических повреждений у крыс. Поврежденные участки облучались на 0, 1, 3, 5 и 7 дни. Разрывное усилие рубцовой ткани через 1 мес. составляло 109% прочности контрольного рубца, через 2 мес. 126% от его прочности. Спустя 2 мес. прочность облученных рубцов достигала 42% прочности нормальной кожи в том же месте.
К сожалению, несмотря на широкое использование ультразвука в терапии, было проведено всего несколько широкомасштабных клинических наблюдений. Одно из них было посвящено лечению хронических варикозных язв на ногах. Язвы облучались ультразвуком частотой 3 МГц интенсивностью 1 Вт/см2 SATP в импульсном режиме 2 мс : 8 мс. После 12 сеансов лечения (3 раза в неделю на протяжении 4 недель) средняя площадь язв составляла 66,4 ± 8,8% от их первоначальной площади, в то время как площадь контрольных язв уменьшилась всего до 91,6 ± 8,9%. Измеренное увеличение температуры в облучаемых зонах не превышало 1° С. Такое увеличение температуры, вызванное другими способами, совершенно недостаточно для наблюдаемой стимуляции заживления, что доказывает нетепловой характер механизма воздействия. В работе было показано, что ультразвук может способствовать приживлению пересаженных лоскутов кожи на краях трофических язв.
С некоторым успехом ультразвук используется для размягчения и увеличения эластичности рубцов и контрактур. Несмотря на достаточную универсальность этого эффекта, механизм воздействия в этом случае неясен; возможно, он связан с комбинацией умеренного нагрева и явления, описанного ранее в этой главе.
Считается, что ультразвук может быть полезен при рассасывании отеков, вызванных повреждениями мягких тканей. В работе было проверено это широко распространенное утверждение. Искусственно созданная опухоль у крыс облучалась ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 на частотах 0,75; 1,5; 3,0 МГц в импульсном режиме. Был установлен частотно-зависимый эффект: единственной эффективной оказалась частота 0,75 МГц. Характеристики импульсного режима (2 мс : 8 мс или 2 мс : 2 мс) на эффект не влияли. Механизм, ответственный за рассасывание опухоли, остался невыясненным. Возможно, он обусловлен увеличением кровотока или местными изменениями в тканях под действием акустических микропотоков.
Без более строгих научных исследований этих и других известных явлений все рассуждения о механизмах, приводящих к положительному терапевтическому эффекту (если таковой существует), будут оставаться чисто умозрительными. Только понимание механизмов взаимодействия ультразвука с биологическими тканями позволит получить максимальный лечебный эффект.
2.2.2. Костные повреждения
Восстановление повреждений мягких и костных тканей имеет много общего. Оба процесса включают в себя воспалительную, пролиферационную и восстановительную фазы. Хотя и это подобие, и тот факт, что в процессах участвуют однотипные клетки, подталкивали к тому, чтобы исследовать возможность применения ультразвука для лечения костных повреждений, публикаций на эту тему очень мало.
При экспериментальном исследовании переломов малой берцовой кости у крыс было обнаружено, что ультразвуковое облучение во время воспалительной и ранней пролиферационной фаз ускоряет и улучшает выздоровление. Костная мозоль содержала больше костной ткани и меньше хрящей. Однако облучение в поздней пролиферационной фазе приводило к негативным явлениям — усиливался рост хрящей и задерживалось образование костной массы. Обнаружено также, что облучение ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см2 SATP длительностью 5 мин в импульсном режиме 2 мс : 8 мс более эффективно на частоте 1,5 МГц, чем на частоте 3 МГц. Это позволяет предположить нетепловой механизм воздействия, хотя природа его точно не установлена.
3. ХИРУРГИЯ
Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй — механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, металлических наконечников и др.
3.1. ХИРУРГИЯ С ПОМОЩЬЮ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКА
Хирургическая техника, которая в перспективе могла бы заменить традиционный скальпель, должна обеспечивать воспроизводимость и управляемость разрушения тканей, воздействовать только на четко ограниченную область, быть быстродействующей и вызывать минимальные потери крови. Мощный фокусированный ультразвук обладает большинством из этих качеств. Фокальная область может иметь типичные размеры 1 -г- 2 мм в ширину и 3^4 мм в длину.
Возможность использования фокусированного ультразвука для создания зон поражения в глубине органа без разрушения вышележащих тканей изучено в основном в операциях на мозге. Именно здесь первоначально возникла необходимость в создании таких разрушений для нужд экспериментальной нейроанатомии. Воздействие осуществлялось и на другие органы: печень, спинной мозг, почки и глаз.
Фокусирование ультразвука может быть достигнуто многими способами. Самый простой из них — это использование преобразователя, излучающая поверхность которого по форме представляет собой сферическую вогнутую оболочку, изготовленную из пьезоэлектрического материала. Фокус такого излучателя лежит на его главной оси и располагается вблизи центра кривизны оболочки. Как следует из работ Коссоффа и О'Нейла, распределение акустического поля такого излучателя может быть рассчитано. Используя подобные сферические излучатели, Робинсон и Лили, а также Уорвик и Понд произвели в мозговой ткани у крыс и кошек разрушения в фокальной области.
Хотя таким способом можно получить нагреваемую область с четко очерченными границами, регулировать глубину зоны поражения в этом случае оказывается не просто. Используя плоский излучатель совместно с различными акустическими линзами, можно добиться изменения глубины области поражения. Так как акустические линзы обычно делаются из материала, имеющего скорость звука больше, чем в воде, то для создания сходящегося пучка необходимо изготовлять линзы вогнутыми.
Главное ограничение при использовании набора из таких линз накладывает поглощение ультразвука в материале самих линз. Оптимальная передача энергии осуществляется при условии, когда линзы и излучатель разделены четвертьволновым согласующим слоем. Такие комбинации излучателя с линзами применяли Линке с соавт. при создании зон поражений в печени у крыс и кроликов и в почках у кроликов.
