Кавитация в тканях под действием низкочастотного ультразвука

В ряде случаев для получения требуемого биологического эффекта используют непрерывный ультразвук довольно большой мощности, с частотой 20…44 кГц. Источником такого ультразвука являются, например, хирургические инструменты, режущая кромка которых вибрирует с ультразвуковой частотой, что существенно облегчает резание тканей; вибрирующие инструменты для стоматологии и пр. Амплитуды колебания ультразвуковых хирургических инструментов в рабочем режиме достигают весьма больших значений, при которых вероятность возникновения кавитации в тканях весьма велика. Подтверждением этому может служить слабый характерный шум при иссечении мягких тканей, аэрозоль (туман), образующийся при разрушении папиллом ультразвуковым зондом, ультразвуковое свечение.

Кавитация в тканях под действием высокочастотного ультразвука

Вопрос о кавитации в биологических тканях под действием ультразвука с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05…2 Вт/см² является предметом многолетней дискуссии. Сложность идентификации кавитации в ткани обусловлена ее относительной непрозрачностью, препятствующей непосредственному наблюдению и затрудняющей применение оптических методов.

Факт протекания кавитационных процессов в данной среде может быть надежно установлен при одновременном появлении, по крайней мере, трех эффектов, сопровождающих кавитацию: характерного шума, ультразвуковых химических реакций или свечения, микропотоков.

Косвенным подтверждением возможного возникновения кавитации в тканях могут служить «дыры», обнаруженные на гистологических препаратах тканей печени и других органов, облученных ультразвуком с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05…2 Вт/см².

Пороги кавитации для фокусированного ультразвука в тканях не более чем в 1,5−2 раза выше, чем в отстоявшейся водопроводной воде. Если это соотношение сохраняется и для плоской бегущей волны, то кавитацию в тканях можно ожидать при интенсивности, превышающей 0,6 Вт/см², так как теоретический порог кавитации в воде около 0,3 Вт/см².

Основными признаками акустической кавитации в воде и водных средах, насыщенных воздухом, помимо характерного шума можно считать ультразвуковое свечение и синтез Н2О2, H2NO2, H2NO3, а также свободных радикалов и других химически активных частиц. Эти явления наблюдаются в воде и разбавленных водных растворах при интенсивности 0,3 Вт/см² (SA), а в плазме крови при 0,8 Вт/см².

Очевидно, что под действием ультразвука химически активные частицы могут образоваться непосредственно в клетке. Это мало отразится на картине ультразвукового повреждения, но может привести к самым неожиданным последствиям — нарушению обменных процессов в клетке, изменению ее наследственного аппарата и т. п.

Пожалуй, только при ультразвуковом воздействии источник свечения — кавитирующий пузырек — может находиться вблизи или внутри самой клетки. Влияние этого излучения, особенно его ультрафиолетовой составляющей, может обусловить, в зависимости от интенсивности и условий облучения, стимуляцию и повышение жизнеспособности клеток, находящихся в угнетенном физиологическом состоянии, торможение деления клеток и их отдаленную гибель, увеличение проницаемости клеточных мембран, конформационные изменения в молекуле ДНК, инактивацию некоторых ферментов и другие эффекты.

Измерение интенсивности ультразвукового свечения в оптически плотных животных тканях затруднительно, а идентификация образующихся в ультразвуковом поле частиц химическими или биохимическими методами практически невозможна, что обусловлено их малой концентрацией и высокой химической активностью.

Использование в качестве модели относительно прозрачной ткани клубня картофеля позволяет измерить в ней интенсивность ультразвукового свечения и определить пороги кавитации, сопровождающейся образованием химически активных частиц и, очевидно, другими, свойственными кавитации, эффектами.

Для определения порога кавитации клубень картофеля нарезают на пластинки толщиной 0,05…0,25 см. Пластинки «притирают» к поверхности излучателя ультразвука, слегка смоченного водой для обеспечения акустического контакта. Свечение ткани регистрируют с помощью фотоумножителя (рис. 1.6). Химически активные частицы в тканях при ультразвуковой кавитации определяют по свечению пластинок, предварительно вымоченных в течение нескольких часов в растворе люминола. Реакция люминола с пероксидом водорода или ОН-радикалами, как известно, сопровождается характерным голубовато-зеленым свечением.

При облучении ткани клубня картофеля непрерывным ультразвуком с частотой 880 кГц свечение возникает при интенсивностях 0,3…0,4 Вт/см² (SA) и усиливается с увеличением интенсивности ультразвука.

Характер зависимости свечения ткани картофеля от интенсивности ультразвука сходен с аналогичной зависимостью для воды и водных растворов. Очевидно, что в обоих случаях ультразвуковое свечение обусловлено кавитацией.

Рис. 1.6. Регистрация свечения ткани:

Дополнительным свидетельством этому служит шум в ткани картофеля, регистрируемый с помощью гидрофона на частоте первой субгармоники (табл. 1.4), а также интенсивное свечение, возникающее при ультразвуковом облучении образцов, пропитанных люминолом. Оно обусловлено взаимодействием люминола с Н2О2 и ОН радикалами, которые образуются при ультразвуковой кавитации. Минимальное значение интенсивности ультразвука, вызывающее это свечение, также равно 0,3…0,4 Вт/см².

• 1 - фотоэлектронный умножитель;
• 2 - исследуемая ткань; 3 — источник

ультразвука

Сравнение приведенных данных с зависимостью порога возникновения ультразвукового свечения от вязкости растворов глицерина (рис. 1.7) показывает, что пороги кавитации в ткани и в растворах с вязкостью 0,25 П одного порядка.

Таблица 1.4

Пороги ультразвуковых эффектов.

Вязкость цитоплазмы достигает (предположительно) 1 Из. Однако снижению порога кавитации в тканях, как указывалось ность, а также обусловленное внутриклеточными микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого, выше, может способствовать их гетерогенность, а также обусловленное внутриклеточными микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого.

Зависимость ультразвукового свечения ткани от ее толщины имеет периодический характер (рис. 1.8), что обусловлено возникновением стоячих волн при высотах, кратных половине длины волны.

Исходя из этих данных и зная частоту ультразвуковых колебаний, можно оценить скорость ультразвука в ткани клубня картофеля. Она оказалась равной 1,6 • 10³ м/с, что, по крайней мере в пределах точности измерения, не противоречит справочным данным.

Рис. 1.7. Зависимость порога кавитации от вязкости (в растворах глицерина).

Рис. 1.8. Зависимость интенсивности ультразвукового свечения ткани от ее толщины.

Порог кавитации в жидкости заметно повышается при уменьшении облучаемого ультразвуком объема. Аналогичная зависимость, очевидно, существует и в биологических тканях, где порог кавитации при фокусировании ультразвука возрастает до значений, превышающих 10 Вт/см² (см. § 4.2). Столь высокие интенсивности ультразвука вызывают необратимое разрушение ткани в фокальной области.