Введение к работе
Актуальность темы.
Основной предмет диссертации - исследование первичных процессов взаимодействия ультразвуковых волн терапевтического диапазона ип-тенсивностей с биологическими тканями, приводящих к тепловыделению на границах в тканях, имеющих различные акустические (скорость и коэффициенты затухания продольных волн в тканях) и механические ( динамический модуль сдвига, динамическую вязкость, скорость и коэффициенты затухания сдвиговых волн) параметры.
Эти исследования становятся особенно актуальными в связи с широкими медицинскими применениями ультразвука в диагностике, физиотерапии и лекарственной терапии (фонофорезе - введении лекарственных преператов через неповрежденную кожу).
Биологическое действие ультразвука зависит от целого ряда факторов, которые можно разделить на две категории: а) связанные с воздействующим агентом - ультразвуком и б) связанные со свойствами объектов воздействия.
Одной из важнейших характеристик воздействующего ультразвука является интенсивность, которая определяет природу первичных физических процессов (механических, тепловых, кавитационных) в биологических объектах, находящихся в ультразвуковом пучке.
Преобладание какого-либо из перечисленных процессов будет определять первичный физический механизм биологического действия ультразвука.
Вследствие пространственной неоднородности ультразвуковых полей локальные интенсивности для плоских излучателей могут превышать средние в несколько раз. Для терапии это является существенным фактом и при выборе параметров ультразвукового воздействия на конкретный объект необходимо учитывать отношение пиковой интенсивности к средней. Поэтому метрологическое обеспечение воздействующего ультразвука имеет важное значение. Как правило, большинство исследователей не имеют простых и быстрых методов постоянного контроля ультразвуковых полей, тем более, для широко применяемых в медицине ультразвуковых аппаратов. Поэтому, разработка наиболее простых и быстрых методов визуализации ультразвуковых полей является необходимым условием постоянного контроля за состояниием ультразвуковой аппаратуры и оперативного устранения неисправностей, а также для выбора наиболее оптимальных режимов ультразвукового воздействия, связанных с пространственным распределением интенсивностей.
ИаиСнкіее важными для анализа биоэффектов и практического приме нения являются вопросы о первичных механизмах взаимодействия уль тразвуковых волн с биологическими системами, и в первую очередь - > биологическими тканями.
Возбуждение сдвиговых волн при взаимодействии продольной уль тразвуковой волны с биологическими объектами представляет для по нимания механизмов биологического действия ультразвуковых волі большой интерес, поскольку в тканях с различными механическими па раметрами и геометрическими размерами условия возбуждения и зату хания сдвиговых волн будут различны. В наиболее гетерогенных тканя; с наличием большого количества границ возможно возбуждение и по глощение сдвиговых волн на всех этих границах. При определенны; углах падения продольная волна может полностью преобразовываться і сдвиговую. Это может иметь важное биологическое значение, посколь ку преобразование продольных волн в сдвиговые проходит без потері энергии, но сдвиговая волна затухает на очень коротких расстояниях і это может сопровождаться заметным выделением тепла. Тепловыделе ние на границах тканей с разными акустическими и механическимі свойствами может привести к развитию патологических процессов, вое палительных реакций.
Следует отметить сложность изучения процессов тепловыделения по, действием ультразвука в тканях, имеющих гетерогенную структуру. По этому весьма важным является использование модельных систем с кон тролируемыми акустическими и механическими параметрами. Цель и основные задачи исследования.
Цель работы: исследование первичных процессов взаимодействия уль тразвуковых волн терапевтического диапазона иитенсивностеи с биоло гическими тканями и их моделями, приводящих к тепловыделению н; границах между тканями с разными акустическими и механически свойствами и механизмов тепловыделения.
Исходя из этого были поставлены задачи:
1) разработать методы быстрой оценки распределения интенсивности )
сечениях ультразвуковых пучков, генерируемых пъезоизлучателям!
различного типа;
-
провести исследование акустических параметров биологических тка ней, их зависимостей от состава, температуры; определить диапазоні значений этих параметров для разных органов и тканей лабораторны; животных;
-
исследовать механические параметры мягких биологических тканей определить диапазоны их значений для различных тканей лаборатор ных животных;
1) для физического моделирования мягких биологических тканей про-зести исследования зависимостей акустических и механических гвойств от состава сред, используемых для моделирования. 5) создать физические модели мягких биологических тканей как гомо-енные, так и гетерогенные с включениями реальных костных и мягких гканей;
S) исследовать зависимость процессов тепловыделения в физических иоделях биологических тканей от их акустических и механических :войств и от степени акустической и механической гетерогенности;
Научная новизна.
Новые результаты, полученные в настоящей работе:
определены диапазоны значений скоростей продольных ультразву-
<овых волн: для отдельных важнейших органов животного; для ряда
эрганов и тканей животных одного вида, пола и возраста; для анало
гичных тканей разных видов животных;
определены диапазоны значений механических параметров мягких Зиологических тканей: динамического модуля сдвига, сдвиговой вяз-<ости, скорости сдвиговых волн и коэффициента затухания;
созданы физические модели мягких биологических тканей с акустиче-жими, механическими и тепловыми параметрами, эквивалентными іараметрам биологических тканей, исследованы их характеристики в іависимости от компонентного состава;
разработан простой и удобный способ визуализации ультразвуковых юлей и регистрации распределения интенсивностей в ультразвуковых іучках, генерируемых пъезопреобразова-телямм различного типа;
выявлены тепловые эффекты на границах между тканями, идентичными по акустическим, но различающихся по механическим сдвиговым) свойствам и показан механизм этого эффекта;
продемонстрирована возможность ультразвуковой визуализации не-жнородностей в биологических тканях, не отличающихся по акусти-іеским свойствам от окружающей ткани, что открывает новые возможности для медицинской диагностики;
экспериментально доказано, что кавитационные пузырьки несут отрицательный заряд - это принципиально важно для понимания физи-іеских процессов, лежащих в основе метода визуализации ультразву-совых полей и для практического использования в лекарственной ультразвуковой терапии.
"Ірактическое значение работы. Разработан простой и дешевый метод іизуализации ультразвуковых полей, который может быть доступен іля широкого использования - контроля ультразвуковой аппаратуры і режимов воздействия (А.с. № 1206693). Результаты работы могут >ыть использованы в медицине для разработки новых методов ультра-
вуковой гипертермии и методов фонофореза лекарственных веществ.
Покачана возможность разработки нового метода ультразвуковой ви зуализацин неоднородностей в биологических тканяч. не отличающихсі по акустическим свойствам от окружающей ткани. Это важно для ран ней диагностики тканевых патологий.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на: II Всес. конф. "Ультразвук в физиологии и медицине", Ташкент, 1980 Всесоюзной конференции "Взаимодействие ультразвука с биологичес кой средой", Ереван, 1983; 3 Всес. конф. по проблемам биомеханики 1983; , X Всесоюзн. акустич. конф., 1983; симп. "Акустические свойств; биологических объектов", Пущино, 1984; Всес. совещ. "Новые ультра звуковые методы и приборы для применения в биологии и медицине' Великий Устюг, 1986; межд. конф. Ultrasonics International 85, Лондон Великобритания, 1985; XIX Югославский симпозиум по биофизике і симп. "Медицинская биоакустика", Сараево, 1988; симп. UBIOMEI VIII, Брно, Чехословакия, 1989; симп. "Ультразвук в биологии и меди цине (UBIOMED-YII) Айзенах, ГДР, 1987; межд. симпозиуі "Механизмы акустических биоэффектов", Пущино, 1990. Публикации. Материалы диссертации отражены в 23 публикациях и авторских свидетельствах. Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа включает в себя введение, 4 главы диссертаці онного материала, выводы и список цитируемой литературы, вклк чающий 95 наименований. Каждая глава содержит обзор литературь посвященный теме главы. Диссертация изложена на 120 страницах, с( держит 1 таблицу и 66 рисунков.