Хирургическое воздействие фокусированным ультразвуком на внутренние структуры организма

Фокусированный ультразвук нашел применение в медицинской хирургической практике для решения ряда специфических задач. В практической ветеринарии он пока не используется, поскольку это требует стационарных условий и специальной техники. В то же время воздействие фокусированным ультразвуком широко применяется в практической медицине для разрушения небольших образований в глубине организма без травмирования окружающих тканей и нарушения целостности кожных покровов, а также в экспериментальной биологии для получения информации, необходимой при разработке новых методов диагностики и лечения.

Фокусирование ультразвука

Интенсивность ультразвука, излучаемого пьезопреобразователями, обычно не превышает 10 Вт/см², поэтому если в некотором ограниченном объеме требуется получить ультразвук более высоких интенсивностей, его фокусируют, используя излучатели с вогнутой поверхностью, вогнутые отражатели ультразвука, ультразвуковые линзы или системы, состоящие из нескольких отдельных излучателей, управляемых с помощью компьютера и расположенных так, чтобы излучаемые ими ультразвуковые лучи пересекались в нужном месте пространства. Чаще всего используют керамический излучатель, представляющий собой часть сферы и фокусирующие ультразвуковую энергию в области центра кривизны излучающей поверхности (рис. 4.2).

Фокальная область представляет собой эллипсоид вращения, вытянутый в направлении распространения ультразвуковых волн. Диаметр фокального пятна зависит от частоты ультразвука и уменьшается с ее увеличением. Теоретически в среде, не поглощающей ультразвук, через фокальную область проходит не более 84% энергии от.

Рис. 4.2. Геометрические характеристики сферического излучателя и фокусированного ультразвукового поля:

R — радиус излучателя; F- фокусное расстояние; h — глубина; а — угол раскрытия; г и / - радиус и длина фокальной области соответственно излучателя. Очевидно, что в тканях, коэффициент поглощения которых всегда отличен от нуля, эта величина еще меньше.

Точная форма области разрушения ткани зависит от ее структуры и свойств. В однородной ткани очаг разрушения по форме напоминает эллипсоид. Нели же облучаемый участок состоит из различных тканей, отличающихся чувствительностью к ультразвуку, то предсказать заранее форму пораженной зоны оказывается весьма непросто. При воздействии на мозг, например, селективно может быть разрушено белое вещество, так как серое вещество и сосудистая система менее чувствительны к ультразвуку.

В последнее время в практику входят также фазированные решетки-излучатели, содержащие ряд отдельных пьезоэлементов, возбуждаемых поочередно в соответствии с особым алгоритмом. Такие электронно-управляемые решетки позволяют фокусировать ультразвук в нужном месте пространства.

Современные фокусирующие системы позволяют получать в фокальной области ультразвук с интенсивностью, измеряемой десятками тысяч Вт/см².

Характеристики ультразвука в фокальной области легко оценить, зная размеры и радиус кривизны керамического преобразователя, а также частоту ультразвука и его интенсивность у излучающей поверхности. Так, радиус фокальной области определяют по формуле.

где F- расстояние от фокальной области до излучателя;

R — радиус кривизны излучателя;

X — длина ультразвуковой волны.

где, а — угол раскрытия излучателя.

Интенсивность в фокальной области.

Если угол раскрытия не превышает 45°, то максимальная интенсивность в центре фокальной области:

Сходясь в фокусе, ультразвуковые волны затем расходятся вновь. При этом знак кривизны фронта волны меняется на обратный (рис. 4.3). В самой фокальной области волну можно считать практически плоской и использовать для расчетов известные соотношения для плоской волны (см. §§ 1.1; 1.2).

Фокальную область излучателя совмещают с участком, который необходимо разрушить, используя стереотаксическую установку.

Воздух между излучателем и тканью, как известно, является непреодолимой преградой для ультразвука. Поэтому пространство между излучателем и поверхностью заполняют жидкостью в мешочке из тонкой резины. Чаще всего в качестве контактной жидкости используют дегазированную воду. В такой воде под действием ультразвука не выделяются пузырьки газа, поглощающие акустическую энергию.

Биологические эффекты существенно зависят от интенсивности фокусированного ультразвука, а измерить интенсивность в фокусе весьма непросто. Поэтому ее измеряют обычно в воде, акустические ха;

Рис. 4.3. Изменение знака кривизны фронта волны при переходе через фокус рактеристики которой близки к характеристикам биологических сред. Разработано много методов измерения интенсивности ультразвука, в том числе и фокусированного, но удобнее всего пользоваться радиометрическим методом, с помощью которого измеряют давление звука на пластинку, подвешенную к коромыслу весов и опущенную в воду.

Общая мощность излучателя W связана с действующей на поверхность пластинки силой F простым соотношением W «kFдля отражающей поверхности и соотношением W** 2kFдля поглощающей поверхности.

Если силу измерять в граммах, то k — 7,35.

Средняя интенсивность в фокальной области.

где S = кг% — площадь поперечного сечения фокальной области. Коэффициент 0,84 указывает на то, что в фокальную область попадает 84% всей энергии, излучаемой преобразователем.