Введение к работе
1.1. Актуальность проблемы. История исследований биологических эффектов непрерывного ультразвука насчитывает несколько десятилетий. За это время были определены ряд механизмов биологического действия ультразвука: связанные с микроперемешиванием и ускорением диффузионных поцессов в клетках и тканях; тепловые, связанные с поглощением продольных ультразвуковых волн биологическими системами различного уровня эрганизации; кавитационные, связанные с генерацией свободных радикалов и ах влиянием на биохимические реакции, повреждением мембран клеток за счет :двиговых напряжений в клетках, находящихся вблизи коллапсирующих савитационных микропузырьков.
Эти исследования в определяющей степени стимулировались все юзрастающим применением ультразвука в физиотерапии и диагностике, что ребует исследований пределов безопасности при воздействии ультразвука, применяемого в различных, в том числе и импульсных режимах с учетом ювейших, ранее не учитываемых данных.
Так, во всех работах, посвященных кавнтациопным механизмам іиологического действия ультразвука не учитывался заряд микропузырьков, не мотря на то, что в единичных работах он был теоретически предсказан (Flynn, 964., Degrois, 1974). Однако, экспериментального подтверждения эти расчеты о сих пор не получали. Поэтому анализ транспорта ионов под действием льтразвука через биологические мембраны при наличии кавитации был еполным, так как заряды микропузырьков могут изменять картину транспорта онов, в том числе и лекарственных препаратов в зависимости от их заряда.
Одним из важных механизмов биологического ультразвука, является епловой, так как повышение температуры, являющееся безопасным для иологических объектов, имеет достаточно узкие зоны значений. До настоящего эемени тепловые эффекты, особенно на уровне биологических тканей относили с поглощением продольных ультразвуковых волн (ter Haar, 1980,
2 1982). В единичных работах теоретически показано, что разогре обусловленные поглощением сдвиговых волн, появляющихся вследствие утло трансформации продольных волн на границах неоднородностей в биологичес тканях, особенно на границах с костной тканью, могут быть сравнимы величине с нагревом за счет поглощения продольных волн. Для мягких тканей вопросы не рассматривались, кроме теоретических работ (Сарвазян, 19 Барышникова, 1986, 1989). В связи с этим представляется актуальи исследование разогревов как в костных, так и в мягких тканях, обусловлен! поглощением сдвиговых волн, так как дополнительный разогрев тканей за с такого поглощения может выводить биологические системы за преде безопасного температурного диапазона при применением терапевтической диагностической ультразвуковой аппаратуры. Тем самым, могут бі определены низшие энергетические пределы безопасного применения улыразв; в терапии и диагностике с учетом локальных интенсивностей ультразв} которые могут превышать средние в два-три раза. 1.2. Цель в задачи исследования.
Цель работы: исследование первичных механизмов биологического дейсп ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей при разви: кавитационых процессов и трансформациях продольных волн в биологичес] тканях и модельных системах. Основные задачи исследования:
-
Провести исследование кавитационных процессов в жидких контактных ере; вблизи поверхностей раздела жидких и твердых сред , в моделях биологичесз тканей.
-
Провести исследование зависимости процессов тепловыделения в физичесі моделях биологических тканей от их акустических и механических свойств и степени акустической и механической гетерогенности при поглощении ] продольных, так и сдвиговых волн.
-
Провести теоретическую оценку степени напряжений и смещений в биологических тканях под действием модулированного ультразвука.
-
Разработать методы быстрой качественной и количественной оценки распределения интенсивности в сечениях ультразвуковых пучков, генерируемых пъезоизлучателями различного типа.
Исследование процессов тепловыделения в биологических тканях невозможно проводить без исследования акустических и механических параметров биологических тканей, а также разработки и изготовления разъемных моделей биологических тканей с контролируемыми физическими параметрами. Поэтому в диссертации заметное место отведено этим исследованиям.
1.3. Научная новизна.
- Впервые экспериментально доказано, что кавнтационные пузырьки несут отрицательный заряд - это принципиально важно для исследований в сонохимии, понимания физических процессов, лежащих в основе метода визуализации ультразвуковых полей, и для практического использования в лекарственной ультразвуковой терапии;
Впервые получено, на основании регистрации кавитационных эффектов внутри моделей, с акустическими и механическими параметрами биологических тканей, прямое подтверждение развития в тканях кавитационных микропузырьков под действием ультразвука терапевтических интенсивностей.
Экспериментально показан новый эффект ультразвука - генерации фоноЭДС на бислойных липидных мембранах, величина которого сравнима с естественным мембранным потенциалом, а в ассимметричных условиях ионного состава по разные стороны мембран и значительно его превосходящий; предложен механизм генерации фоноЭДС.
Определены диапазоны значений скоростей продольных ультразвуковых волн: для отдельных важнейших органов животного; для ряда органов и
4 тканей животных одного вида, пола и возраста; для аналогичных тканей разш видов животных;
Впервые определены диапазоны значений механических параметрі большинства видов мягких биологических тканей: динамического модуля сдвш сдвиговой вязкости, скорости сдвиговых волн и коэффициента затухания;
Впервые выявлены тепловые эффекты на границах между тканям идентичными по акустическим, но различающимися по механически (сдвиговым) свойствам;
На основании исследований тепловых эффектов продемонстрирова возможность ультразвуковой визуализации неоднородностей в биологичесю тканях, не отличающихся по акустическим свойствам от окружающей ткани, ч открывает новые возможности для медицинской диагностики;
Разработан и исследован простой способ визуализации ультразвуковь полей (качественный и количественный) и регистрации распределен] интенсивностей в ультразвуковых пучках, генерируемых пъезопреобразователял различного типа;
1.4. Практическое значение работы.
Разработан простой и дешевый метод визуализации ультразвуковь полей высокочастотных и зон кавитации низкочастотных излучателей, которь может быть доступен для широкого использования - контроля ультразвукове аппаратуры и режимов воздействия (А.с. № 1206693). Результаты работы мог быть использованы в медицине для разработки новых методов ультразвукове гипертермии и методов фонофореза лекарственных веществ.
Показана возможность разработки нового метода ультразвукове
визуализации и контрастирования неоднородностей в биологических тканях, і
отличающихся по акустическим свойствам от окружающей ткани. Это важно дли
ранней диагностики тканевых патологий и для физического контрастироваш
малоконтрастных неоднородностей при ультразвуковой диагностике.
1.5. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Расширена физическая теория кавитации: экспериментально показан отрицательный заряд микропузырьков.
-
Расширены представления о роли кавитации в биологических эффектах ультразвука с учетом зарядов микропузырьков - влиянии на процессы ионного транспорта, получено прямое подтверждение возбуждения кавитационных микропузырьков в биологических тканях.
-
Выявлен и исследован новый эффект - генерация фоноЭДС на мембранах под действием ультразвука.
4. Создание нового направления в акустике мягких биологических тканей,
элементами которого являются:
а) новый подход к рассмотрению механизмов тепловыделения в
биологических тканях, основанный на том, что разогревы в биологических
тканях при поглощении сдвиговых волн на границах тканей, вследствие
трансформации продольных ультразвуковых волн в сдвиговые сравнимы с
разогревами за счет поглощения продольных волн,
б) скорости тепловыделения определяются соотношением не только
акустических, но и механических свойств биологических тканей.
в) измерены акустические и механические свойства биологических тканей,
определены диапазоны их изменений практически для всех основных мягких
тканей.
5. Экспресс-визуализация ультразвуковых полей терапевтических
излучателей на основе нового метода определений средних интенсивностей и
распределения локальных интенсивностей в ультразвуковых пучках.
1.6. Апробация работы.
Материалы диссертации были представлены на:
Всес. симпозиуме "Взаимодействие ультразвука с биологической средой", Пущино, 1979; III Всес. конф. "Ультразвук в физиологии и медицине", Ташкент,
1980; симп. UBIOMED Y, Путино, 1981; I Всесоюзном биофизическом съезда Москва, 1982; Всесоюзной конференции "Взаимодействие ультразвука биологичесой средой", Ереван, 1983; 3 Всес. конф. по проблемам биомеханию 1983; , X Всесоюзн. акустич. конф., 1983; Междунар. симп. UBIOMED Y1 Варшава, Польша, 1983; симп. "Акустическиесвойства биологических объектов' Пущино, 1984; межд. конф. Ultrasonics International 85, Лондон, Великобританш 1985; Всес. совещ. "Новые ультразвуковые методы и приборы для применения биологии и медицине", Великий Устюг, 1986; симп. "Ультразвук в биологии і медицине (UBIOMED-YII) Айзенах, ГДР, 1987; XDC Югославский симпозиум го биофизике и симп. "Медицинская биоакустика", Сараево, 1988; симп. UBIOMEI YIII, Брно, Чехословакия, 1989; межд. симпозиуме "Механизмы акустически: биоэффектов", Пущино, 1990.
Публикации. Материалы диссертации отражены в 28 публикациях и 2 авторски: свидетельствах.
Объем и структура диссертации.