Ультразвукове випромінювання і медицина

Давно відомо, що ультразвукове випромінювання можна зробити вузьконаправленим. Французький фізик Поль Ланжевен вперше помітив шкідлива дія ультразвукового випромінювання на живі організми. Результати його спостережень, а також відомості про те, що ультразвукові хвилі можуть проникати крізь м'які тканини людського організму, призвели до того, що з початку 1930-х рр.. виник великий інтерес до проблеми застосування ультразвуку для терапії різних захворювань. Цей інтерес не слабшав і надалі, причому розвиток медичних програм йшло за самим різних напрямків; особливо широко ультразвук став застосовуватися в фізіотерапії. Проте, лише порівняно недавно став намічатися істинно науковий підхід до аналізу явищ, що виникають при взаємодії ультразвукового випромінювання з біологічною середовищем.

Із застосуванням ультразвуку в медицині пов'язано безліч різних аспектів. Однак, при цьому фізика явища повинна включати наступні процеси: розповсюдження ультразвуку в «біологічної середовищі», такий як тіло людини, взаємодія ультразвуку з компонентами цього середовища і вимірювання та реєстрація акустичного випромінювання, як падаючого на об'єкт, так і виникає в результаті взаємодії з ними.

Проблема інтерпретації взаємодії акустичного випромінювання з біологічною середовищем істотно спрощується, якщо останню розглядати не як тверде тіло, а як рідина. У такому середовищі немає зсувних хвиль, тому теорія розповсюдження хвиль простіше, ніж для твердого тіла. У діапазоні ультразвукових частот, що застосовуються в медичної акустиці, це припущення справедливе майже для всіх тканин тіла, хоча є і виключення, наприклад кістку. Те, що взаємодія ультразвуку з тканиною можна змоделювати його взаємодією з рідинами, - важливий чинник, підвищує практичну цінність медичної ультразвукової діагностики.

Прийом і вимір ультразвуку

У медичних або біологічних додатках необхідність у прийомі і вимірюванні ультразвуку виникає у трьох великих областях. Це отримання діагностичної інформації від пацієнта, вимірювання акустичних полів, якими можуть опромінюється живі клітини і тканини, в тому числі і тканини пацієнтів.

Ультразвук по визначенням не сприймається безпосередній-но органами почуттів людини, і тому необхідно використовувати якийсь фізичний ефект або последовате-льності таких ефектів, щоб дія ультразвуку могло проявитися, причому головним чином кількісно. Таким чином, вибір методу для конкретного завдання проводиться з точки зору зручності його застосування, а також точності вимірювання цікавить параметра акустичного поля.

Ехо-імульсівние методи візуалізації та вимірів

Методи ультразвукової луна-імпульсної візуалізації вже знайшли широке і різноманітне застосування в медицині.

Основним елементом будь-якої системи візуалізації є електроакустичний перетворювач, який служить для випромінювання зондуючого акустичного імпульсу в об'єкт і для прийому акустичних ехо-сигналів, перевипромінюють мішенню.

Приймач представляє собою свого роду систему сполучення між перетворювачем і дисплеєм або системою записи, які застосовуються для передачі спостерігачеві інформації, отриманої за допомогою ультразвуку. У хороших системах ехо-сигнали на виході перетворювача мають великий динамічний діапазон.

Області застосування ехо-імпульсних методів

Ехо-імпульсні методи в даний час стали широко застосовується в багатьох областях медицини.

АКУШЕРСТВО

Акушерство - та галузь медицини, де луна-імпульсивні ультразвукові методи найбільш міцно вкоренилися як складова частина медичної практики. Розглянуті тут чотири основні завдання ілюструють цінність багатьох корисних властивостей ультразвукових методів.

Надійне визначення положення плаценти - завдання першорядної важливості в акушерській практиці. З розвитком техніки, що забезпечує високу розширення за контрастом, ця процедура стала вже рутинної. Прилади, що працюють в реальному часі, ергономічним більш вигідні, тому що дозволяють визначати положення плаценти швидше, ніж статичні сканери.

Другий вид процедур, які вже стали звичними, - оцінка розвитку плоду з вимірювання одного або більше його розмірів, таких як діаметр головки, окружність голівки, площа грудної клітки або живота. Тому що навіть дуже малі зміни цих розмірів можуть мати діагностичне значення, ці методи вимагають високої точності самої апаратури і методик її застосування.

Третій вид процедур, що з'явився не так давно і не настільки ще укорінений в практиці, -- раннє виявлення аномалій плоду. Ця програма потребує особливо хорошого просторового дозволу та дозволу за контрастом, переважно в поєднанні з режимом реального часу і швидким скануванням. Гарні методики і якісна апаратура дозволяють виявляти такі дефекти, як недорозвинення (загибель) яйця, аненцефалія (повне або майже повна відсутність мозку), гідроцефалія (надлишок рідини в мозку, що спостерігається у вигляді уширення шлуночків), спинальні (хребетні) дефекти, часто необнаружімие біохімічними методами, і дефекти шлунково-кишкового тракту. Допоміжну, але дуже важливу роль грає ультразвук у процедурі амніоцентеза (пункції плодового міхура) - взяття навколоплідних вод для цитологічних досліджень та виявлення можливих генетичних порушень. Введення голки при амниоцентезе під контролем ультразвукової візуалізації, забезпечує значно більшу безпеку цієї процедури.

Нарешті, необхідно відзначити ультразвукове дослідження руху плоду. Це явище лише нещодавно стало предметом детального дослідження. Зараз відбувається накопичення великої кількості інформації як по руху кінцівок плоду і псевдодиханію, так і за динамікою серця і судин. Тут основний інтерес представляє дослідження фізіології та розвитку плоду; до виявлення аномалій плоду поки ще далеко.

ОФТАЛЬМОЛОГІЯ

Може бути, з-за відносно малих розмірів очі офтальмологія кілька виділилася з інших областей застосування ультразвуку.

Ультразвук особливо зручний для точного визначення розмірів очі, а також для дослідження патології та аномалій структур ока в разі їх непрозорості і, отже, недоступність для звичайного оптичного дослідження. Тут також важлива точність роботи та калібрування апаратури, необхідно також приділити особливу увагу ефектів, пов'язаних з заломленням ультразвуку в кришталику і рогівці.

Область позаду очі - орбіта - доступна ультразвуковому обстеженню через око, тому ультразвук разом з комп'ютерною томографією став одним з основних методів неінвазивного дослідження патологій цій галузі. Структури орбіти мають малі розміри і вимагають гарного просторового дозволу та дозволу за контрасту, що можна досягти на високих частотах. Практичні складності можуть виникати, однак, якщо намагатися використовувати апаратуру, характеристики якої запозичені з телевізійної техніки, а смуга пропускання відповідно обмежена.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВНУТРІШНІХ ОРГАНІВ

Під таким заголовком можна розглянути безліч різноманітних завдань, в основному пов'язаних з дослідженням черевної порожнини, де ультразвук використовується для виявлення і розпізнавання аномалій анатомічних структур і тканин. Найчастіше задача така: є підозра на злоякісне утворення і необхідно відрізнити його від доброякісних або інфекційних за своєю природою утворень.

При дослідженні печінки крім важливого завдання виявлення вторинних злоякісних утворень ультразвук корисний для вирішення інших завдань, включаючи виявлення захворювань і непрохідності жовчних проток, дослідження жовчного міхура з метою виявлення каменів та інших патологій, дослідження цирозу та інших доброякісних дифузних захворювань печінки, а також паразитарних захворювань, таких як шістосоматоз. Нирки - ще один орган, в якому необхідно досліджувати різні злоякісні і доброякісні стану (включаючи життєздатність після трансплантації) за допомогою ультразвуку. Гінекологічні дослідження, у тому числі дослідження матки і яєчників, в протягом довгого часу є головним напрямом успішного застосування ультразвуку. Тут часто також необхідна диференціація злоякісних та доброякісних утворень, що зазвичай вимагає найкращого просторового і контрастного вирішення. Аналогічні висновки можна застосувати й до дослідження багатьох інших внутрішніх органів і областей. Зростає інтерес до застосування ультразвукових ендоскопічних зондів. Ці пристрої, які можна вводити в природні порожнини тіла при обстеженні або застосовувати при хірургічному втручанні, дозволяють поліпшити якість зображення з-за більш високою робочої частоти та/або відсутності на шляху ультразвуку таких несприятливих акустичних середовищ, як газ або кістку.

ПРІПОВЕРХНОСНИЕ І зовнішньої ОРГАНИ

Щитовидна і молочна залози, хоча і легко доступні ультразвукового обстеження, часто вимагають використання водяного і іонного буфера, щоб на зображення не вплинули аномалії ближньої зони поля. При дослідженні щитоподібної та паращитовидної залозі основне застосування ультразвуку - розрізнення кістозних і твердих утворень, що можливо при хорошому придушення шуму і артефактів, викликаних реверберацією і боковими пелюстками випромінювання.

Захоплююча перспектива - скринінг для виявлення найрізноманітніших ознак раку молочної залози при відсутності виражених симптомів, особливо у жінок з аномально високим фактором ризику. Технічно тут необхідно виявити аномалію розмірів близько 2 мм в діаметрі, коли ця аномалія відносно рідко зустрічається в заданій групі, наприклад, буде тільки в однієї пацієнтки.

Методи візуалізації молочної та щитовидної залоз, часто використовують акустичну затримку розповсюдження, застосовуються також до обстеження інших приповерхневих тканин, наприклад, при вимірюванні товщини шкіри, необхідно в радіаційної терапії для опромінення електронами, при обстеженні приповерхневих кровоносних судин, таких як сонна артерія, а також при дослідженні реакції пухлин на терапевтичні впливу.

КАРДІОЛОГІЯ

Ультразвукові методи широко застосовуються при обстеженні серця і прилеглих магістральних судин. Це пов'язано, зокрема, з можливістю швидкого отримання просторової інформації, а також можливістю її об'єднання з томографічної візуалізацією. Так, для виявлення і розпізнавання аномалій руху клапанів серця, зокрема мітрального, дуже широко використовується М-режим. При цьому важливо реєструвати рух клапанів аж до частот порядку 50Гц і, отже, з частотою повторення близько 100Гц. Ця цифра, залишаючись значно нижче згаданого вище придела для луна-імпульсних приладів (близько 5кГц), по суті, є недосяжною за будь-яких інших методах дослідження.

НЕВРОЛОГІЯ

До появи рентгенівської комп'ютерної томографії мозок було особливо складно досліджувати. Починаючи з 1951р., В Лондонському королівському онкологічному госпіталі робилися значні зусилля для застосування ультразвуку до цього завдання. До жаль, цьому заважають фізичні властивості черепа дорослої людини, оскільки череп є сильно поглинає тришарову структуру змінної товщини. Хоча було зроблено кілька цікавих спроб подолати ці труднощі, у тому числі з використанням керованих багатоелементних грат, коли датчик прилягає до обмеженої області черепа, а також з частковою компенсацією автоматичної фазової затримки для урахування змін товщини черепа, таке застосування не зустріло схвалення діагностів. Однак ще НЕ затверділий череп плоду або новонародженого в акустичному плані не представляє значних перешкод, пов'язаних з виникненням загасання або заломлення, і тому ультразвукове обстеження тут застосовується все частіше.

Застосування ультразвуку в терапії та хірургії

Давно відомо, що ультразвук, діючи на тканини, викликає в них біологічні зміни. Інтерес до вивчення цієї проблеми обумовлений, з одного боку, природним побоюванням, пов'язаним з можливим ризиком застосування ультразвукових діагностичних систем для візуалізації, а з іншого - можливістю викликати зміни в тканинах для досягнення терапевтичного ефекту.

Терапевтичний ультразвук може бути умовно розділений на ультразвук низьких і високих інтенсивностей. Основне завдання застосування ультразвуку низьких інтенсивностей -- не пошкоджує нагрів або які-небудь нетеплове ефекти, а також стимуляція і прискорення нормальних фізіологічних реакцій при лікуванні ушкоджень. При більш високої інтенсивності основна мета - викликати кероване виборче руйнування в тканинах.

Перше напрям включає в себе більшість застосувань ультразвуку у фізіотерапії та деякі види терапії раку, другий - ультразвукову хірургію.

Нагрівання

Розподіл температури в тканинах ссавців при ультразвуковому нагріванні, вже докладно обговорювалися. Керований нагрівання глибоко розташованих тканин може дати тривалий терапевтичний ефект у ряді випадків.

Високий коефіцієнт поглинання ультразвуку в тканинах з великими молекулами обумовлює помітне нагрівання коллагенсодержащіх тканин, на які найчастіше і впливають ультразвуком при фізіотерапевтичних процедурах.

Збільшення розтяжності коллагенсодержащіх тканин

Основний фактор, який часто перешкоджає відновленню м'якої тканини після її ушкодження, - це контрактура, що виникає в результаті пошкодження і обмежує нормальний рух. Слабке прогрівання тканини може підвищити її еластичність. при додатковому прогріванні під час розтягуючих вправ поліпшується гнучкість коллагенсодержащіх структур. Ультразвуковий нагрів приводить до збільшення розтяжності сухожиль. Рубцова тканина також може стати більше еластичною під впливом ультразвуку.

Підвищення рухливості суглобів

Амплітуда рухів суглобів, в разі контрактури може бути збільшена шляхом їх нагрівання. Для нагрівання суглоба, оточеного значним шаром м'яких тканин, ультразвуковий спосіб найбільш кращий, оскільки ультразвук краще інших форм діатермічному енергії проникає в м'язову тканину.

болезаспокійливе дію

Багато пацієнтів відзначають ослаблення болю при тепловій дії на уражені області. Знеболюючий ефект може бути як короткочасним, так і тривалим. При деяких захворюваннях застосування ультразвуку для зменшення болю дає найкращі результати. Ультразвук послаблює фантомні болі після ампутації кінцівок, а також болі, викликані утворенням рубців і неврит. Механізми болезаспокійливого дії поки неясні, можливо, у них вносять вклад і нетеплове ефекти.

Зміни кровотоку

При локальному нагріванні тканини часто відзначаються судинні реакції, що виявляються навіть на деякій відстані від місця дії.

При нагріванні ультразвуком або електромагнітному випромінюванням спостерігаються подібні ефекти. При імпульсному опроміненні (коли теплові ефекти не великі) також змінюється кровотік. Ці зміни зберігаються близько півгодини після закінчення процедури.

Місцевий розширення судин збільшує надходження кисню в тканину і, отже, покращує умови, в яких знаходяться клітини. Можливо, саме цим пояснюється терапевтичний ефект, а також нерідко спостерігається посилення запальної реакції.

Зменшення м'язового спазму

Прогрівання може зменшити м'язовий спазм. Мабуть, це обумовлено седативну (заспокійливим) дією підвищення температури на периферичні нервові закінчення. Ультразвук також може бути використаний для цієї мети.

Ступінь фізіологічної реакції на прогрівання залежить від великої кількості факторів, включають досягають температури, час прогрівання, розмір прогрівається зони та швидкість збільшення температури. Ультразвук дозволяє швидко нагріти строго певну обл?? сть. До анатомічних структур, які вибірково нагріваються ультразвуком, відносяться багаті на колаген поверхневі шари кістки, окістя, суглобові меніски, синовіальна рідина, суглобові сумки, сполучні тканини, внутрішньом'язові рубці, м'язові волокна, оболонки сухожиль і головні нервові стовбури.

У ряді випадків ультразвук може бути більш ефективною формою діатермії, ніж короткохвильові випромінювання, парафінові аплікації і інфрачервоне випромінювання.

Оцінка безпеки застосування ультразвуку в медицині

Як наукові, так і професійні інтереси зобов'язують вчених з'ясувати, яку небезпеку для пацієнта і оператора представляє використання ультразвуку.

В даний час неможливо виділити один або навіть декілька фізичних параметрів, які служили б як адекватних кількісних характеристик, що дозволяють передбачити кінцевий біологічний ефект.

У відсутності адекватної інформації, на основі якої повинні бути встановлені максимально допустимі дози при застосуванні ультразвуку в медицині, було б корисним висунути деякі критерії для правильного застосування ультразвуку. Ряд таких критеріїв може бути узагальнений наступним чином:

Оператор повинен використовувати мінімальні інтенсивності та експозиції, що дозволяють отримати у пацієнта бажаний клінічний ефект;

Обслуговуючий персонал не повинен опромінять без необхідності;

Всі процедури повинні виконуватися добре навчений персонал або під його керівництвом.

Якщо слідувати цих рекомендацій, то ультразвук можна ефективно використовувати у медицині з великою впевненістю в його безпеці.

Список літератури

Хілл К. -- «Застосування ультразвуку в медицині» - 1989р.

Ремізов А.Н. -- «Медична та біологічна фізика» - 1987

Крилов Н.П. і Рокітянскій В.І. - «Ультразвук та його застосування» - 1958р

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://goldref.ru/