книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами
..pdfВ.Б. Акопян, ЮЛ. Ершов
Основы
взаимодействия
ультразвука с биологическими
объектами
Прд редакцией доктора технических наук, профессора С.И. Щукина
Рекомендовано УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки дипломированных специалистов «Биомедицинская техника» и направлению подготовки бакалавров и магистров «Биомедицинская, инженерия»
Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2005
Биомедицинская инженерия в техническом университете
Серия основана в 2005 году
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
чл.-кор. РАН И.Б. Федоров — главный редактор д-р техн. наук С.И. Щукин — зам.главного редактора
д-р техн. наук И.Н. Спиридонов
д-р мед. наук О.В. Рутковский
д-р техн. наук В.Б. Парашин
д-р техн. наук О.С. Нарайкин
Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2005
УДК 619:615.83 (075.8) ББК 22.32
А40
Рецензенты:
д-р хим. наук, проф. И.А. Крылов; д-р хим. наук, проф. Н.В. Макаров
Акопян Б.В., Ершов Ю.А.
А40 Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объек тами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии: Учеб, пособие / Под ред. С.И. Щукина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 224 с.: ил. - (Биомедицинская инженерия в техническом университете).
15ВК 5-7038-2597-0
В пособии с позиций современной биофизической акустики рассмотре ны результаты многочисленных исследований и практического использо вания ультразвука в медицине, ветеринарии и экспериментальной биоло гии показаны пути оптимизации известных ультразвуковых методов и но вые возможности применения ультразвука в диагностике, хирургии, терапии, прикладной биотехнологии, фармации, кормопроизводстве, тех нологии продуктов животноводства, ветеринарно-санитарной экспертизе.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов высших технических учебных заведений, обучаю щихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Биомедицинская техника». Книга будет полезна аспирантам, препода вателям и специалистам в области ультразвуковой диагностики, физио терапии, хирургии и биотехнологии.
УДК 619:615.83(075.8)
ББК 22.32
|
© Б.В. Акопян, Ю.А. Ершов, 2005 |
|
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 |
|
© Оформление. Издательство МГТУ |
ВВЫ 5-7038-2597-0 |
им. Н.Э. Баумана, 2005 |
ВВЕДЕНИЕ
Ультразвуковая техника начала развиваться во время Первой ми ровой войны. Именно тогда, в 1914 г., испытывая в большом лабора торном аквариуме новый ультразвуковой излучатель, выдающийся французский физик-экспериментатор Поль Ланжевен обнаружил, что рыбы при воздействии ультразвука забеспокоились, заметались, затем успокоились, но через некоторое время стали гибнуть. Так слу чайно был проведен первый опыт, с которого началось исследование биологического действия ультразвука.
В конце 20-х годов XX в. были сделаны первые попытки исполь зовать ультразвук в медицине. А в 1928 г. немецкие врачи уже приме нили ультразвук для лечения заболеваний уха у людей. В 1934 г. со ветский отоларинголог Е.И. Анохриенко ввел ультразвуковой метод в терапевтическую практику и первым в мире осуществил комбини рованное лечение ультразвуком и электрическим током. Вскоре ульт развук стал широко применяться в физиотерапии, быстро завоевав славу весьма эффективного средства.
Прежде чем применить ультразвук для лечения болезней челове ка, действие его тщательно проверяли на животных, но новые методы в практическую ветеринарию пришли уже после того, как нашли ши рокое применение в медицине. Первые ультразвуковые аппараты бы ли весьма дороги. Цена, конечно, не имеет значения, когда речь идет о здоровье людей, но в сельскохозяйственном производстве с этим при ходится считаться, поскольку оно не должно быть убыточным.
Первые ультразвуковые лечебные методы основывались на чисто эмпирических наблюдениях, однако параллельно с развитием ультра звуковой физиотерапии разворачивались исследования механизмов биологического действия ультразвука. Их результаты позволяли вно сить коррективы в практику применения ультразвука.
В 1940-1950 годах, например, полагали, что в лечебных целях эф фективен ультразвук интенсивностью до 5...6 Вт/см2 или даже до 10 Вт/см2. Однако вскоре применяемые в медицине и ветеринарии ин тенсивности ультразвука стали уменьшаться. Так в 60-е годы XX в. максимальная интенсивность ультразвука, генерируемого физиотера певтическим и аппаратами, уменьшилась до 2...3 Вт/см2, а выпуска емые в настоящее время аппараты излучают ультразвук с интенсив ностью, не превышающей 1 Вт/см2. Но сегодня в медицинской и вете ринарной физиотерапии чаще всего используют ультразвук с интенсивностью 0.05..Д5 Вт/см2.
Создание электронных быстродействующих импульсных систем обработки радиолокационных сигналов в период Второй мировой войны стимулировало развитие ультразвуковой диагностики. В на стоящее время ультразвуковое обследование ежегодно проходят око ло 60 млн пациентов. В ветеринарной практике ультразвуковые мето ды позволяют проводить раннюю диагностику беременности животных, определять толщину жира и мышц, визуализировать внут ренние органы и т. д.
Около 40 лет насчитывает история ультразвуковой хирургии, ос нованной на результатах исследований и разработок советских уче ных. Сегодня ультразвуковые скальпели и специальные ультразвуко вые инструменты широко используются для рассечения мягких, хря щевых и костных тканей, для удаления катаракты и лишних жировых отложений, для санации ран и полостей. Фокусированный ультра звук успешно применяется для разрушения опухолевых образований в глубине организма без нарушения целостности покровных тканей, для раздражения или разрушения отдельных нервных структур и т. д.
Ультразвуковые методы стали настолько привычными, что в по следнее время в продаже появились домашние ультразвуковые при боры для лечения «от всех болезней», для глубокого массажа, для стирки белья, для отпугивания грызунов и пр. Некоторые из них в принципе не могут обеспечить обещанный в рекламных проспектах эффект, применение других для самолечения просто опасно, так как при неправильном применении они могут нанести вред организму.
Многие ультразвуковые методы, прочно занявшие свое место в медицине, уже используются в практической ветеринарии, другие, разработанные и опробованные, по разным причинам еще не нашли широкого распространения. Об одних пока еще мало знают специа листы, применение других задерживается из-за высоких (для сель скохозяйственного производства) цен на современное ультразвуко вое оборудование.
В лабораториях научно-исследовательских учреждений создают ся новые методы, цель которых - упростить методы и существенно сократить сроки лечения человека и животных, увеличить продук тивность животных, улучшить условия труда врачей и ветеринарных специалистов. Исследования дают новые результаты, и не исключено, что, воздействуя ультразвуком на отдельные участки мозга и биоло гически активные точки животных, человек в будущем сможет управ лять их поведением и регулировать их продуктивность.
В прошлые годы было издано немало книг, посвященных приме нению ультразвука в медицине, и лишь единицы, в которых рассмат ривались вопросы использования ультразвуковых методов в ветери нарной практике и биотехнолигии. В большинстве из этих книг ос новное место занимает описание экспериментальных данных.
В предлагаемом учебном пособии предпринята попытка с пози ций современной биофизической акустики проанализировать резуль таты многочисленных исследований и практического использования ультразвука в медицине и ветеринарии, а также показать пути опти мизации известных ультразвуковых методов и возможности новых областей применения ультразвука в диагностике, хирургии, терапии. Рассмотрены также задачи биотехнологии, экологии, кормопроиз водства, фармации, которые эффективно решаются с использованием ультразвуковых методов.
Ввиду отсутствия специальных учебных курсов или даже разде лов по биофизике ультразвука и ультразвуковым методам, а также учебных пособий и справочной литературы по этой теме потребова лось введение в книгу разделов, посвященных элементам физики ультразвука, взаимодействию ультразвука со средой, механизмам его биологического действия.
Данное учебное пособие призвано помочь будущему исследова телю, инженеру и врачу лучше разобраться в механизмах лечебного действия ультразвука, глубже понять возможности диагностических ультразвуковых методов, природу ультразвукового ускорения био технологических процессов и т. д. Тема находится на стыке ряда науч ных дисциплин, где нередко одни и те же термины обозначают раз ные понятия. Не установилась окончательно терминология и в бурно развивающейся биофизике ультразвука.
Поскольку достаточно подробно осветить материалы всех пред шествующих работ не представлялось возможным из-за ограничен ности объема, в книге приведены ссылки на публикации, обобщаю щие результаты оригинальных приоритетных исследований, или ана литические обзоры.
Учебное пособие рекомендовано студентам и аспирантам, изу чающим курс «Биомедицинская техника», а также специалистам, ра ботающим в области ультразвуковой физиотерапии, хирургии, диаг ностики, биотехнологии, экологии, физикам-акустикам, биофизикам, физиологам, инженерам-исследователям, разработчикам ультразву ковой аппаратуры.
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам - доктору химических наук, профессору И.А. Крылову и доктору химических наук, профессору Н.В. Макарову.
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И БИОФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКА
Раздел физики, посвященный получениюу распространению и взаимодей ствию с веществом ультразвуковых, звуковых и инфразвуковых волн, называ ется акустикой,а эти волны - акустическими.
Ультразвук - колебания и волны в упругих средах с частотой, превышаю щей верхнюю границу слышимого звука.
По своей природе ультразвуковые волны не отличаются от звуковых, а также инфразвуковых волн, имеющих частоту ниже нижней границы слыши мого звука.
Деление на ультразвук, звук и инфразвук условно. В основе такого деле ния - свойство человеческого уха воспринимать упругие колебания среды только в ограниченном диапазоне частот.
1.1. ВОЛНЫ В УПРУГИХ СРЕДАХ
Акустические волны способны распространяться в средах, состоя щих из упругого вещества. Упругость обеспечивает возвращение в ис ходное положение частиц среды, смещенных под воздействием ка ких-либо внешних сил.
Если поршень в упругой среде сместить на небольшое расстоя ние, то слой вещества перед поршнем, испытывая давление, со жмется, а затем начнет расширяться, сдавливая соседний слой, тот, в свою очередь, расширяясь сдавит следующий слой. В результате в среде возникает последовательность сжатий и разрежений, которые и представляют собой акустические волны, распространяющиеся в среде и передающие все новым и новым слоям вещества возмуще ние, возникающее у поршня (рис. 1.1). Частицы среды при этом не переносятся в направлении распространения волн, а лишь колеб лются около положения равновесия.
Волны называются продольными, если направление колебаний час тиц совпадает с направлением распространения волн. Если эти направ ления взаимно перпендикулярны, то волны называются поперечными.
Рис. 1.1. Акустические упругие волны в среде:
а - продольные; б - поперечные; в - графическое изображение волны; стрелки и «I* указывают направление колебания частиц
Если амплитуда колебания частиц в волне невелика и не меняется со временем, в среде распространяется плоская акустическая волна, которая описывается уравнением
5 = Л 51П (е й - кх + сро),
где 5 - смещение частицы среды от положения равновесия; А - максимальное смещение частицы относительно положения
равновесия (амплитуда); I - время;
х - положение частицы на оси координат, в направлении которой распространяется волна;
со - циклическая частота колебаний, со = 2к/; / = 1/Т - частота ко лебаний (число колебаний за единицу времени), Т - период колеба ния;
к = 2п/Х - волновое число, где X - длина волны (расстояние между двумя соседними сжатиями или разрежениями);
(р0- начальная фаза.
Движение частиц, описываемое приведенной формулой, подчиняет ся синусоидальному закону и называется гармоническим колебанием.
В газообразных и жидких телах, в том числе и в мягких тканях жи вотных, содержащих до 75 % воды, распространяются продольные вол ны. Исключение составляют волны на поверхности жидкостей. В твер дых телах, в частности в костях скелета человека и животных, наряду с продольными, могут возникать и поперечные, сдвиговые волны.
Частота колебаний / измеряется в герцах. Один герц равен одно му колебанию в секунду. Для удобства пользуются кратными едини цами измерения: 1000 Гц = 103Гц = 1 кГц; 1000000 Гц = 106Гц = 1 МГц; 103МГц = 1 ГГц (гигагерц).
|
Инфразвук |
Звук |
Ультразвук |
Гиперзвук |
|
I-----------------1----------------- 1Н------------------1 I---- '--------------1Н |
|||||
О |
16 Гц |
|
20 кГц |
1 ГГц |
104 ГГц |
Рис. 1.2. Условное деление акустических колебаний и волн на диапазоны
В зависимости от частоты акустические колебания делят на не сколько диапазонов (рис. 1.2).
Границы, разделяющие отдельные диапазоны акустических коле баний, достаточно условны. Граница между звуком и ультразвуком, например, зависит от индивидуальных особенностей человеческого слуха. Одни люди не слышат звуки с частотой в 10 кГц, другие могут воспринимать звуки с частотой до 25 кГц.
Многие животные слышат звуки значительно более высоких частот, чем человек. Собаки улавливают звуковые колебания до 44кГц, крысы - до 72 кГц, летучие мыши - до 115 кГц. Верхняя граница звукового вос приятия в определенной степени зависит от расстояния между ушами. Чем ближе уши, тем более высокие звуки различает животное. Слон, на пример, ощущает звуковые колебания только до 12 кГц.
Верхняя граница ультразвукового диапазона обусловлена ф и зической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межмолекулярных (меж атомных) расстояний в жидкостях и твердых телах. Исходя из это го, нетрудно рассчитать, что верхняя граница ультразвукового диа пазона в газах составляет около 1 ГГц (109 Гц), а в твердых телах - примерно 1013 Гц.
Ультразвук с частотой более 1 ГГц иногда выделяют в отдельный диапазон и называют гиперзвуком.
Очевидно, что скорость частицы, совершающей гармонические колебания, также меняется по гармоническому закону. Нетрудно показать, что амплитуда колебательной скорости - максимальная скорость, с которой движутся частицы среды при колебаниях Уш ” о А. При этом скорость движения колеблющейся частицы пе риодически меняется с той же частотой от 0 до \ т- Аналогично ме няется и ускорение движения частицы. При этом амплитуда уско рения В “ (й2А.
Вышеприведенный пример с поршнем показывает, что возмуще ние от частиц, колеблющихся в каждом слое около положения равно весия, передается от слоя к слою по направлению распространения волны х. Таким образом, в акустической волне происходит перенос энергии без переноса вещества.
Скорость распространения акустических волн в жидкостях зави сит от коэффициента сжимаемости жидкостей:
где р - плотность жидкости; р - коэффициент адиабатической сжимаемости, равный относи
тельному изменению объема АУ/У при изменении давления на АР. Ко эффициент Р рассчитывают по формуле
V а г *
Втвердых телах скорость продольных волн равна:
с- Е / Р ,
где Е - модуль Юнга, характеризующий упругие свойства вещества. Скорость распространения упругих (акустических) волн в возду
хе при 25 °С составляет 333 м/с, в воде и мягких биологических тка нях - около 1500 м/с, в костной ткани - примерно 3500 м/с.
Скорость распространения упругой волны практически не зави сит от частоты и связана с длиной волны X простым соотношением:
X = с // или Х = сТ,
т. е. чем больше частота/, тем меньше длина волны.
Так, при распространении в воде (с « 1500 м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина его волны X составит 1,5 ■10_3 м, или 1,5 мм.
Благодаря малым длинам волн ультразвук распространяется в среде, подчиняясь законам геометрической оптики. Так же, как и свет, ультразвук распространяется прямолинейно в однородной среде, от ражается и преломляется на границах сред с разными акустическими свойствами. Его можно фокусировать, используя линзы и сфериче ские зеркала.
Пространство, заполненное веществом, в котором распространя ется акустическая волна, называется акустическим полем.
Акустическое поле характеризуется переменным звуковым давле нием в каждой точке и интенсивностью распространяющейся волны.
Периодические сжатия и расширения каждого слоя вещества, в ко тором распространяется упругая волна, можно рассматривать как ре зультат действия переменного давления, амплитуда которого равна:
Р = рсАш = рент у
где Уот - амплитуда колебательной скорости частиц.