Ультразвук и инфразвук в медицине

Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или  газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука  выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей  применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение  получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его  распространения и характерными свойствами. По физической природе  ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно  меньше длины звуковой волны. Чем  больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление  ультразвука на границе разнородных  сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент  отражения.

В организме ультразвук частотой 800—1000 кГц распространяется на глубину 8—10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии  действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными  для лечебно-профилактических воздействий  являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

В физиотерапевтической практике используются преимущественно  отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не применяется  на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные  органы.

Различают непрерывный  и импульсный ультразвук. Непрерывным  ультразвуком принято называть непрерывный  поток ультразвуковых волн. Этот вид  излучения используется главным  образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое  излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

Основные источники инфразвуковых  волн.

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному  увеличению источников инфразвука в  окружающей среде и возрастанию  интенсивности уровня инфразвука.

Основные техногенные источники  инфразвуковых колебаний в городах  приведены в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека

В конце 60-х гг. французский исследователь  Гавро обнаружил, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5-9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют ИЗ-частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из этого места.

Профессор Гавро познакомился с инфразвуками почти случайно. В одном из помещений лаборатории, где работали его сотрудники, с некоторых пор стало невозможно находиться. Достаточно было пробыть здесь два часа, чтобы почувствовать себя совсем больным: кружилась голова, наваливалась усталость, мысли путались, а то и вовсе не хотелось думать о чём-либо.

Прошёл не один день, прежде чем  исследователи сообразили, где следует  искать неизвестного врага. Им оказались  инфразвуки большой мощности, создаваемые  вентиляционной системой нового завода, построенного близ лаборатории. Частота  этих волн равнялась 7 Гц. Профессор Гавро высказал предположение, что биологическое действие инфразвука проявляется, если частота волны совпадает с так называемым альфа-ритмом головного мозга.

Механизм восприятия инфразвука и  его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Возможно, что оно связано с возбуждением резонансных колебаний в организме. Так, собственная частота нашего вестибулярного аппарата близка к 6 Гц, и многим знакомы неприятные ощущения при длительной езде в автобусе, поезде, при плавании на корабле  или качании на качелях. Говорят: «Меня укачало».

При воздействии инфразвука могут  отличаться друг от друга картины, создаваемые  левым и правым глазом, начинает «ломаться» горизонт, возникают проблемы с ориентацией в пространстве, приходят необъяснимые тревога и  страх. Подобные же ощущения вызывают и пульсации света частотой 4-8 Гц. Ещё египетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, связывали  его и с помощью зеркала  пускали в глаза пульсирующий солнечный луч. Через некоторое  время у пленника появлялись судороги, начинала идти пена изо рта, психика  подавлялась, и он начинал отвечать на вопросы.

Сходные воздействия инфразвука и  мигающего света, не считая даже повышенную громкость звука, испытывают посетители дискотек. Вполне возможно, что они  не проходят бесследно, и в организме  могут происходить какие-либо нежелательные  и необратимые изменения.

Британские учёные продемонстрировали, что под воздействием инфразвука люди испытывают примерно те же ощущения, что и при «встречах» с призраками. Был поставлен такой эксперимент. С помощью семиметровой трубы  учёным удалось подмешать к звучанию обычных музыкальных инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие  частоты. После концерта слушателей (а их было 750 человек) попросили описать  впечатления. «Подопытные» сообщили, что  чувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже бежали мурашки, у кого-то возникало тяжёлое  чувство страха.

При землетрясениях и подвижках  земной коры генерируются волны трёх типов: P, S, и L. P-волны (от англ. primary - первичный) - продольные волны сжатия-растяжения, распространяются на огромные расстояния со скоростью звука в данной среде. S-волны (от англ. secondary - вторичный) - поперечные, они могут распространяться только в скальных породах. L-волны (волны Лява, по имени открывшего их учёного A.Love) подобны морским и распространяются вдоль границ разных сред с малой скоростью, зависящей от частоты. Волна инфразвука, дойдя до поверхности Земли от центра землетрясения, превращается в L-волну, которая и вызывает наблюдаемые многочисленные разрушения. Такие же, но более слабые, волны возникают при подземных ядерных взрывах.

Инфразвук - причина катастроф. Дело в том, что в Мировом океане громадные запасы метангидрата - метанового льда. Это конгломерат воды и газа, состоящий из кластеров из 32 молекул воды и 8 молекул метана. Метангидраты образуются там, где на морском дне через трещины в земной коре выделяется природный газ. Инфразвуковая волна, обладая огромной энергией, разрушает метановый лёд, и газ метан выделяется в воду. Кратеры, выделяющие метан, были обнаружены научно-исследовательским кораблём «Полярная звезда» (ФРГ) в море Лаптевых и у берегов Пакистана в 1987 г. Образующаяся при выделении метана газоводяная смесь имеет очень малую плотность, и корабль, оказавшийся в этой зоне, может внезапно утонуть. Так же и самолёт, пролетающий над таким местом, может неожиданно глубоко «провалиться» в воздушную яму и удариться о поверхность воды. Считается, что многие необъяснённые катастрофы кораблей и самолётов связаны именно с непредсказуемым выделением метана из морских глубин.

Инфразвуковые колебания в атмосфере  Земли являются результатом действия многочисленных причин: галактических  космических лучей, гравитационных воздействий Луны и Солнца, падений  метеоритов, электромагнитных излучений  и корпускулярных потоков от Солнца, а также геосферных процессов. Взаимодействие электромагнитного излучения с оптическими неоднородностями атмосферы может приводить к генерации акустических колебаний в широком диапазоне частот. Следует ожидать поэтому, что в спектре ИЗ-колебаний атмосферы должна проявляться ритмика солнечной активности. Это может обуславливать широко известную связь солнечной активности с биосферными процессами.

ИЗ-колебания в атмосфере связаны также с сейсмической активностью, причём они могут быть и внешним воздействием на подготовительные процессы, и их результатом. Связь интенсивности сейсмических процессов с солнечной активностью была обнаружена при анализе глобальной сейсмичности и 11-летних солнечных циклов. Сейчас считается, что эта связь осуществляется через циклоническую активность в атмосфере.

В ЛЦ ИКИ в результате анализа  спектров инфразвука, полученных в  период 1997-2000 гг., обнаружены годовые, сезонные, 27-суточные и суточные периоды колебаний. Подтверждена гипотеза о возрастании  энергии инфразвука при уменьшении солнечной активности. Максимальная годовая энергия инфразвука наблюдалась  в 1997 г., когда солнечная активность была в минимуме, аналогичное наблюдалось и при её кратковременных (5-10 суток) изменениях. Исследования ИЗ-спектров до и после крупных землетрясений показало их характерные изменения перед крупными землетрясениями. В результате экспериментов по наблюдению электромагнитных откликов на акустические возмущения в атмосфере, создаваемые с помощью мобильного акустического излучателя, доказана связь инфразвука с геомагнитными вариациями.

Таким образом, Солнце, межпланетная среда, атмосфера и литосфера  представляют собой единую систему, и существенную роль в процессах  их взаимодействия играют ИЗ-волны.

4. УЛЬТРАЗВУК

Ультразвук - упругие волны высокой (более 20 кГц) частоты. Хотя о существовании  ультразвука учёным было известно давно, практическое использование его  в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в  различных физических и технологических  методах.

Генерация ультразвуковых (УЗ) волн. Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. В газовой  среде УЗ-волны обычно возбуждаются механическими излучателями разного рода - сиренами прерывистого действия. Мощность ультразвука - до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. УЗ-волны в жидкостях и твёрдых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

Сирена - один из видов механических УЗ-излучателей. Она обладает относительно большой мощностью и применяется  в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены имеют  камеру, закрытую сверху диском (статором) с большим количеством отверстий. Столько же отверстий имеется  и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение  отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий  на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается в те короткие мгновения, когда отверстия  на роторе и статоре совпадают. Основная задача при изготовлении сирен - это, во-первых, увеличить число отверстий  в роторе и, во-вторых, увеличить  скорость его вращения. Однако совместить эти требования очень трудно.

Применение ультразвука в Медицине

Гигиена. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет, но до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме его воздействия на больные органы. Одна из гипотез: высокочастотные УЗ-колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый микромассажем.

Санитария. Широко применяются в  больницах и клиниках УЗ-стерилизаторы хирургических инструментов.

Диагностика. Электронная аппаратура со сканированием УЗ-лучом служит для обнаружения опухолей мозга и постановки диагноза.

Акушерство - область медицины, где  эхоимпульсные УЗ-методы наиболее прочно укоренились, как, например, ультразвуковое исследование (УЗИ) движения плода, которое недавно прочно вошло в практику. Сейчас происходит накопление информации по движению конечностей плода, псевдодыханию, по динамике сердца и сосудов. Пока исследуются физиология и развитие плода, а до обнаружения аномалий пока ещё далеко.

Офтальмология. Ультразвук особенно удобен для точного определения  размеров глаза, а также для исследования патологий и аномалий его структур в случае непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического  исследования. Область позади глаза - орбита - доступна обследованию через  глаз, поэтому ультразвук вместе с  компьютерной томографией стал одним  из основных методов исследования патологий  этой области.

Кардиология. Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных  сосудов. Это связано с возможностью быстрого получения пространственной информации, а также возможностью её объединения с томографической визуализацией.

Терапия и хирургия. Давно известно, что УЗ-излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил его повреждающее действие на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что УЗ-волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь недавно стал намечаться научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии УЗ-излучения с биологической средой. Терапевтический ультразвук можно разделить на ультразвук низких и высоких интенсивностей - соответственно неповреждающий нагрев (или какие-либо нетепловые эффекты) и стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений (физиотерапия и некоторые виды терапии рака). При более высоких интенсивностях основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях (хирургия). Электронная аппаратура используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком.

Оценка безопасности применения ультразвука  в медицине

Пока невозможно выделить один или  даже несколько физических параметров, которые служили бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих предсказать конечный биологический эффект. И всё же полезно выдвинуть некоторые  критерии для правильного применения ультразвука:

1. Оператор должен использовать  минимальные интенсивности и  экспозиции, позволяющие получить  у пациента желаемый клинический  эффект.

2. Обслуживающий персонал не  должен облучаться без необходимости.

3. Все процедуры должны выполняться  хорошо обученным персоналом  или под его руководством.

Гидролокация. Давление в УЗ-волне превосходит давление в волне обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения косяков рыбы или других подводных объектов. Одна из первых практических УЗ-систем обнаружения подводных лодок появилась в конце Первой мировой войны.

Ультразвуковой расходомер. Принцип  действия такого прибора основан  на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука  направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается со скоростью потока, то вычитается из неё. Возникающая разность фаз  импульсов в двух ветвях измерительной  схемы регистрируется электронным  оборудованием, в итоге вычисляется  скорость потока, а по ней - и массовая скорость (расход). Этот измеритель может  применяться как в замкнутом  контуре (например, для исследований кровотока в аорте или охлаждающей  жидкости в атомном реакторе), так  и в открытом (например, реки).

Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств этой среды. Многочисленные методы УЗ-воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую УЗ-химией. Она исследует и стимулирует такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, диполимеризация, ускорение реакций.

УЗ-пайка. Кавитация, обусловленная мощными УЗ-волнами в металлических расплавах, и разрушает оксидную плёнку алюминия, и позволяет производить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

УЗ-механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей из очень твёрдых и хрупких материалов, как, например, стекло, керамика, карбид вольфрама, закалённая сталь. В промышленности также используется большой ассортимент оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенцев с малогабаритных деталей.

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей. Ещё в 1927 г. американские учёные Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и облучить ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, т.е. мелкая взвесь масла в воде. Это широко используется в промышленности для изготовления лаков, красок, фармацевтических изделий, косметики.