Ультразвук в терапии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ультразвук в терапии

ультразвук облучение скорость терапия

Известны два вида волн, распространяющихся в пространстве: электромагнитные волны и механические колебания. Основное различие между ними состоит в том, что распространение электромагнитных волн возможно независимо от вещества, т.е. даже в вакууме, а механические колебания могут распространяться только в упругой среде. Другое различие состоит в том, что электромагнитные волны поперечны, т.е. направление колебаний. перпендикулярно направлению их движения, а при механических колебаниях движения частиц совпадают с направлением их распространения, поэтому здесь речь идет о продольных колебаниях. Далее мы займемся механическими колебаниями или, их разновидностью - ультразвуками.

Одну полосу механических колебаний мы способны улавливать и принимать невооруженным ухом. Эти колебания мы называем слышимыми звуками. Правда, это определение весьма субъективно, «человекоцентрично», однако ныне этот принцип деления волн уже принят повсеместно. Более того, к звуковой области относят и такие механические колебания, которые не воспринимаются человеческим ухом: инфразвуки - ниже 16 Гц, слышимые звуки - между 16 и 16000 Гц, ультразвуки - между 16000 и 10¹⁰ Гц, гиперзвуки - выше 10¹⁰ Гц. Наивысшая частота ультразвука, который можно воспроизвести техническими средствами, 1000…10000 МГц.

Ультразвуки отличаются от слышимых звуков лишь тем, что» их не воспринимает человеческое ухо, в остальном же они подчиняются тем же закономерностям, что и все механические колебания. Однако есть одна особенность, которая в практическом использовании все же отличает ультразвуки от прочих механических колебаний, - малая длина волны ультразвука, замеренной в проводящей среде (скорость распространения ультразвука в воздухе 331 м/с, в воде 1496 м/с, в мышцах 1568 м/с и в кости 3360 м/с).

Зная скорость распространения звука по формуле X = c/f можно подсчитать, что длины волн слышимых звуков измеряются метрами, т.е. длина волны существенно больше размеров источника звука. Вследствие этого звуковые волны исходят из источника звука в виде сферических волн и распространяются в пространстве по всем направлениям.

С увеличением частоты распространение ультразвука все больше напоминает распространение света. При высоких частотах распространение ультразвуковых волн происходит почти по прямой. В этой области применимы те же законы отражения, фокусировки, рассеяния, что и для света. Здесь могут применяться отражатели и звуковые линзы.

На основании простых физических рассуждений можно сделать вывод о том, что механическое действие ультразвука на живой организм зависит от амплитуды колебаний частиц. Можно доказать, что эта амплитуда тем больше, чем выше интенсивность звука, действующего на среду, а смещение обратно пропорционально частоте. Если при ультразвуковой терапии обычно используют аппараты мощностью 2 Вт/см² с частотой 800 кГц, то амплитуда смещения частиц составит 0,03 мкм. Это значит, что если диаметр живых клеток принимать равным в среднем 30 мкм, то практически можно пренебречь смещением вещества, ведь даже теоретически оно не составит больше тысячной части диаметра клетки.

Некоторые специалисты считают, что применяемый в терапии ультразвук большой интенсивности может вырывать клетки из их окружения. Это утверждение не соответствует действительности. Боле того, данные свидетельствуют о том, что с точки зрения терапевтического эффекта смещение клеток вообще не следует принимать во внимание.

В упругой среде ультразвук распространяется с определенной скоростью. Однако по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится все меньше и меньше, как и энергия, которую они несут. Уменьшение энергии есть следствие поглощения. Дело в том, что среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через нее энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения.

Являясь результатом трения частиц вещества друг об друга, поглощение в различных материалах различно. Однако оно зависит не только от вещества, но и от частоты ультразвуковых колебаний, ведь небезразлично, сколько колебаний нужно произвести частичкам среды за единицу времени. Согласно теоретическим расчетам поглощение пропорционально квадрату частоты. Однако при определенных условиях эта взаимосвязь имеет линейный характер. Может быть и такой случай - показатель степени частоты в этой зависимости будет лежать между 1 и 2.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как уменьшается интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. В качестве характеризующего параметра обычно используют глубину проникновения. Под этим понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается наполовину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабится наполовину.

Поглощение ультразвука играет важную роль в ультразвуковой терапии. Именно это явление и обусловливает преобразование ультразвуковой энергии в тканях тела в тепло.

Рассматривая поглощение ультразвука, мы предполагали, что энергия распространяется в однородной среде. Если это условие не соблюдается, то, как и в оптике, на границе сред с различными свойствами наблюдается отражение. На этом явлении и основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, а также мышц и костей. Точно такие же изменения ультразвука наблюдаются на границе частей тела, касающихся воздуха (полости тела, сердце и т.д.).

Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие (например, на постороннее тело в организме человека), здесь тоже наблюдается отражение. Если же препятствие по отношению к длине волны ультразвука мало, то ультразвук как бы обтекает препятствие. Неоднородности живого организма (клетки, мышечные волокна и т.д.) не вызывают заметного отклонения, ведь по сравнению с длиной волны (800 кГц-2 мм) их размерами (максимально 0,1…0,2 мм) можно пренебречь.

Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы или участки тканей, размеры которых больше длины волны, то направление распространения ультразвука изменяется - происходит преломление и отражение.

Если не принимать во внимание инородные препятствия в теле, те наиболее сильное отражение происходит на границе кости и окружающих ее тканей (главным образом, мышечных), а также на границах участков тканей, соприкасающихся с воздухом. Однако поскольку разные кости имеют разную структуру и форма их тоже очень многообразна, то отраженные от костей ультразвуковые сигналы трудно распознать. Значительно благоприятнее положение при отражении на граничных поверхностях воздух-ткань. Дело в том, что у воздуха очень малая плотность, и если ультразвуковые волны распространяются в воде или тканях тела и подходят к граничной поверхности, соприкасающейся с воздухом, то наблюдается почти полное отражение.

На таких граничных поверхностях, где сопротивление сред звуковым волнам различается незначительно, происходит незначительное отражение и большая часть ультразвуковых волн проходит в другую среду. Однако направление распространения слегка меняется, т.е. происходит преломление. Если ультразвуковые волны подходят к граничной поверхности перпендикулярно, то отраженные волны тоже будут перпендикулярны ей, при этом образуются стоячие волны. В результате распределение энергии будет неравномерным: и в одних узловых точках наблюдается увеличение интенсивности, в других - уменьшение интенсивности.

Биологическое воздействие ультразвука

Попадая в живой организм, ультразвук оказывает на него биологическое воздействие, которое не ограничивается влиянием только на облученные органы или ткани. Несмотря на то, что физическое и химическое воздействие ультразвука само по себе не объясняет механизма его комплексного влияния, эти воздействия следует учитывать.

Мы уже рассматривали механическое воздействие и установили, что при облучении ультразвуком обычной интенсивности хотя и производится микромассирующее воздействие на клетки, но его эффект незначителен. Разумеется, с повышением интенсивности ультразвука механическое воздействие может привести даже к повреждению ткани. Это явление и применяют в ультразвуковой нейрохирургии, где с помощью фокусированного излучения интенсивностью примерно 1000 Вт/см² разрушают больные нервные ткани, опухоли.

Более важным, чем механическое, является тепловое воздействие. Поскольку поглощение ультразвука в тканях человека характеризуется коэффициентом приблизительно 0,33 (т.е. 33% на 1 см), то одна треть энергии ультразвука, проходящая через сантиметровый слой, преобразуется в тепло, а две трети проникает дальше, чтобы вызвать в более глубоких слоях механический и тепловой эффект. Ясно, что в тканях, находящихся на различной глубине, повышение температуры под влиянием излучения различно и тем меньше, чем глубже. А поскольку коэффициент поглощения тканей разный, поэтому и степень нагревания тоже различна, и бывает, что в ткани, находящейся глубже и обладающей большей поглощающей способностью, в тепло превращается больше ультразвуковой энергии, чем в слоях над ней, несмотря на то, что интенсивность ультразвука в глубине уже существенно меньше.

Как показывают опыты, при ультразвуковом облучении имеет место и химическое воздействие. И хотя эксперименты дают убедительный ответ еще не на все вопросы, есть полная уверенность в том, что облучение ультразвуком ускоряет процессы диффузии в клетках, способствует деполимеризации крупномолекулярных белков, ускоряет процессы биохимического окисления и т.д.

Техника облучения ультразвуком

Для генерации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект. Если подавать на некоторые кристаллы ВЧ напряжение, то они начинают колебаться в такт изменению напряжения. Пьезоэлектрические свойства отдельных материалов выражены весьма ярко и эти материалы совершают колебательные движения с большой амплитудой, иначе говоря, они преобразуют введенную электрическую энергию в энергию механических колебаний с большим к.п.д. Замечательными пьезоэлектрическими свойствами обладает кристалл кварца, вырезанный в соответствии с определенными кристаллографическими осями. Раньше ультразвуковые излучатели делали из кристалла кварца. Однако так как для возбуждения кварца нужно высокое напряжение, в настоящее время перешли к применению керамики из титаната бария. Для возбуждения колебаний преобразователи из этого материала требуют напряжения до 100 В. Недостатком таких преобразователей является то, что их свойства начинают изменяться при температуре 120…130°С. Поэтому головку из титаната бария необходимо охлаждать. Прежде для этой цели использовали воду, однако это создавало много неудобств. С помощью охлаждающих ребер можно добиться устойчивой работы излучающей головки терапевтического аппарата и при естественном воздушном охлаждении. ВЧ напряжение, необходимое для возбуждения пьезоэлектрической излучающей головки, обеспечивает специальный генератор. В терапии применяют кристалл с максимальной поверхностью 10 см. Современные аппараты позволяют получить интенсивность ультразвука 2 Вт/см². При этом генератор должен иметь мощность, в несколько раз превышающую 10 Вт с учетом коэффициентов преобразования и вывода мощности. В зависимости от режима работы генератора преобразователь формирует непрерывные или импульсные волны. Импульсный режим работы позволяет использовать для терапии более интенсивный ультразвук без чрезмерного перегрева облучаемых тканей.

По расположению головки, излучающей ультразвук, различают три способа лечения. При контактном лечении колеблющуюся поверхность слегка прижимают к коже так, чтобы головка прилегала всей поверхностью. Воздушный слой между поверхностью тела и головкой перед процедурой следует заполнить какой-либо передающей жидкостью, например парафином, иначе ультразвуковые колебания отразятся на граничной поверхности преобразователь-воздух. Если из-за неровности поверхности тела ультразвуковую головку нельзя прижать всей поверхностью к телу (например, на пальцах или щиколотке) или если размещение головки причинило боль, то контактное лечение нельзя применять. В таких случаях прибегают к лечению в водяной ванне. Облучаемая часть тела опускается в воду, нагретую до температуры тела и дегазированную кипячением. Головка размещается в 2…3 см от облучаемого участка тела. В этом случае ультразвуковая энергия передается воде и через нее воздействует на облучаемые ткани. При выборе направления излучения необходимо следить за тем, чтобы под действием отражения от стенок ванны в тканях не возник ультразвук с интенсивностью, превышающей допустимые нормы.

При лечении некоторых частей тела (например, глаз, уха, зубов) следует применять различные вспомогательные средства (заполненную водой резиновую трубку, которая передает ультразвуковые колебания в нужную часть тела). В комплект аппаратов для ультразвуковой терапии входят различные сосуды: в форме воронки и цилиндра, из металла или пластмассы. С их помощью терапевтическое воздействие можно локализовать на сравнительно малой поверхности. Однако этими вспомогательными средствами пользуются неохотно, поскольку, с одной стороны, они сложны в обращении, с другой - возникающие нежелательные отражения часто не позволяют управлять интенсивностью ультразвука.

При облучении ультразвуком важно знать, какая энергия необходима для соответствующего воздействия на организм. Это важно прежде всего для обеспечения воспроизводимости результатов лечения, но еще и потому, что избыточная ультразвуковая энергия может оказать вредное действие на организм. Для точного дозирования следует учитывать несколько факторов: интенсивность излучаемого ультразвука (малая интенсивность - 0,05…0,5 Вт/см², средняя - 0,5-2,0 Вт/см², большая >2,0 Вт/см²), частоту ультразвуковых колебаний (в терапевтических аппаратах 800 кГц, для диагностических целей больше, максимально 15 МГц) и длительность процедуры (в зависимости от сложности заболевания 5…20 мин).

Области применения ультразвуковой терапии

Несмотря на то, что механизм действия ультразвука еще не уточнен, ультразвуковая терапия в настоящее время широко распространена и является важным средством физиотерапии. Тысячи больных в специальных медицинских учреждениях проходят курс ультразвуковой терапии. Наиболе убедительные результаты достигаются главным образом при лечении воспалительных суставных заболеваний ревматического происхождения, травм, женских и кожных заболеваний, заболеваний желудка и кишечного тракта и т.д.

В последнее время замечено, что - ультразвуковым облучением можно исцелять близорукость. Особо интересный момент в этом еще не известном во всех деталях явлении то, что если облучать один глаз, то улучшение наблюдается на втором. Для лечения применяли частоту 850 кГц и интенсивность 1,6 Вт/см². Курс лечения длился 20 дней по 5 мин. У большинства пациентов в результате лечения зрение улучшилось примерно на 1 диоптрию.

Ультразвуковая диагностика

Ультразвук проникает в ткани тела и по мере распространения поглощается. Поэтому возникла идея использовать для диагностических целей различие в величине поглощения ультразвука в различных тканях. Поскольку поглощение ультразвуковой энергии для некоторых тканей существенно отличается от поглощения рентгеновских лучей, можно было ожидать, что этот метод вскроет и такие внутренние явления, которые не под силу рентгеновской диагностике. Однако эти ожидания не оправдались, так как коэффициенты поглощения отдельных тканей близки по значению, следовательно, при ультразвуковом «просвечивании» полученные тени в основном имеют одинаковую плотность и отличие едва заметно. Поглощение ультразвука в костях существенно больше, чем в мягких тканях, однако это не дает ничего нового по сравнению с рентгеновским облучением, поскольку и в последнем случае кости тоже дают наибольшую тень. Следовательно, ультразвуковое просвечивание по сравнению с рентгеновским не дает, новой информации.

На границе сред, обладающих различной проводимостью, часть энергии ультразвуковых. колебаний отражается. Для удобства исследований характера отражений излучение должно быть не непрерывным, а импульсным. При этом целесообразно применять как можно более короткие импульсы и выбирать такую частоту их повторения, чтобы каждый последующий импульс не мешал отражению предшествующего. Обычно используют импульсы длительностью 1 мкс, которые следуют один за другим каждую миллисекунду, т.е. частота повторения импульсов находится в пределах 1000 Гц. Излучаемые импульсы, сфокусированные аналогично световому, направляются на исследуемую часть тела, отражаются от границ различных сред и отраженные импульсы воспринимаются преобразователем, при этом на осциллоскопе появляется соответствующее изображение. Измеряя время, можно определить расположение отражающей границы. Величина отклонения размеров органа от нормы дает информацию для диагностики. Этот метод ультразвуковой диагностики похож на рентгеновские исследования, но у него есть и преимущества:

применяемая интенсивность невелика, поэтому нет никакой опасности ни для пациента, ни для персонала, работающего с аппаратом;

можно фиксировать отражение и от поверхностей, находящихся друг под другом;

можно исследовать и расположенные друг за другом органы, а при рентгеновском исследовании можно определять только протяженность органов в поперечном направлении;

по изображению на экране можно быстро определить состояние больного.

Размещено на Allbest.ru