Ультразвук в терапии

Известны два вида волн, распространяющихся в пространстве: электромагнитные волны и механические колебания. Основное различие между ними состоит в том, что распространение электромагнитных волн возможно независимо от вещества, т. е. даже в вакууме, а механические колебания могут распространяться только в упругой среде. Другое различие состоит в том, что электромагнитные волны поперечны, т. е. направление колебаний .перпендикулярно направлению их движения, а при механических колебаниях движения частиц совпадают с направлением их распространения, поэтому здесь речь идет о продольных колебаниях. Далее мы займемся механическими колебаниями или, их разновидностью — ультразвуками.

Одну полосу механических колебаний мы способны улавливать и принимать невооруженным ухом. Эти колебания мы называем слышимыми звуками. Правда, это определение весьма субъективно, однако ныне этот принцип деления волн уже принят повсеместно. Более того, к звуковой области относят и такие механические колебания, которые не воспринимаются человеческим ухом: инфразвуки — ниже 16 Гц, слышимые звуки — между 16 и 16 000 Гц, ультразвуки — между 16 000 и 1010 Гц, гиперзвуки — выше 1010 Гц. Наивысшая частота ультразвука, который можно воспроизвести техническими средствами, 1 000...10 000 МГц.

Ультразвуки отличаются от слышимых звуков лишь тем, что» их не воспринимает человеческое ухо, в остальном же они подчиняются тем же закономерностям, что и все механические колебания. Однако есть одна особенность, которая в практическом использовании все же отличает ультразвуки от прочих механических колебаний,— малая длина волны ультразвука, замеренной в проводящей среде (скорость распространения ультразвука в воздухе 331 м/с, в воде 1496 м/с, в мышцах 1568 м/с и в кости 3360 м/с).

Зная скорость распространения звука по формуле можно подсчитать, что длины волн слышимых звуков измеряются метрами, т. е. длина волны существенно больше размеров источника звука. Вследствие этого звуковые волны исходят из источника звука в виде сферических волн и распространяются в пространстве по всем направлениям. С увеличением частоты распространение ультразвука все больше напоминает распространение света. При высоких частотах распространение ультразвуковых волн происходит почти по прямой. В этой области применимы те же законы отражения, фокусировки, рассеяния, что и для света. Здесь могут применяться отражатели и звуковые линзы.

На основании простых физических рассуждений можно сделать вывод о том, что механическое действие ультразвука на живой организм зависит от амплитуды колебаний частиц. Можно доказать, что эта амплитуда тем больше, чем выше интенсивность звука, действующего на среду, а смещение обратно пропорционально частоте. Если при ультразвуковой терапии обычно используют аппараты мощностью 2 Вт/см2 с частотой 800 кГц, то амплитуда смещения частиц составит 0,03 мкм. Это значит, что если диаметр живых клеток принимать равным в среднем 30 мкм, то практически можно пренебречь смещением вещества, ведь даже теоретически оно не составит больше тысячной части диаметра клетки. Некоторые специалисты считают, что применяемый в терапии ультразвук большой интенсивности может вырывать клетки из их окружения. Это утверждение не соответствует действительности. Боле того, данные свидетельствуют о том, что с точки зрения терапевтического эффекта смещение клеток вообще не следует принимать во внимание.

В упругой среде ультразвук распространяется с определенной скоростью. Однако по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится все меньше и меньше, как и энергия, которую они несут. Уменьшение энергии есть следствие поглощения. Дело в том, что среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через нее энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения.

Являясь результатом трения частиц вещества друг об друга, поглощение в различных материалах различно. Однако оно зависит не только от вещества, но и от частоты ультразвуковых колебаний, ведь небезразлично, сколько колебаний нужно произвести частичкам среды за единицу времени. Согласно теоретическим расчетам поглощение пропорционально квадрату частоты. Однако при определенных условиях эта взаимосвязь имеет линейный характер. Может быть и такой случай — показатель степени частоты в этой зависимости будет лежать между 1 и 2.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как уменьшается интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. В качестве характеризующего параметра обычно используют глубину проникновения. Под этим понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается наполовину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабится наполовину. Поглощение ультразвука играет важную роль в ультразвуковой терапии. Именно это явление и обусловливает преобразование ультразвуковой энергии в тканях тела в тепло. Рассматривая поглощение ультразвука, мы предполагали, что энергия распространяется в однородной среде. Если это условие не соблюдается, то, как и в оптике, на границе сред с различными свойствами наблюдается отражение. На этом явлении и основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, а также мышц и костей. Точно такие же изменения ультразвука наблюдаются на границе частей тела, касающихся воздуха (полости тела, сердце и т. д.).

Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие (например, на постороннее тело в организме человека), здесь тоже наблюдается отражение. Если же препятствие по отношению к длине волны ультразвука мало, то ультразвук как бы обтекает препятствие. Неоднородности живого организма (клетки, мышечные волокна и т. д.) не вызывают заметного отклонения, ведь по сравнению с длиной волны (800 кГц—2 мм) их размерами (максимально 0,1...0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своем пути наталкивается на органы или участки тканей, размеры которых больше длины волны, то направление распространения ультразвука изменяется — происходит преломление и отражение.

Если не принимать во внимание инородные препятствия в теле, те наиболее сильное отражение происходит на границе кости и окружающих ее тканей (главным образом, мышечных), а также на границах участков тканей, соприкасающихся с воздухом. Однако поскольку разные кости имеют разную структуру и форма их тоже очень многообразна, то отраженные от костей ультразвуковые сигналы трудно распознать. Значительно благоприятнее положение при отражении на граничных поверхностях воздух—ткань. Дело в том, что у воздуха очень малая плотность, и если ультразвуковые волны распространяются в воде или тканях тела и подходят к граничной поверхности, соприкасающейся с воздухом, то наблюдается почти полное отражение.

На таких граничных поверхностях, где сопротивление сред звуковым волнам различается незначительно, происходит незначительное отражение и большая часть ультразвуковых волн проходит в другую среду. Однако направление распространения слегка меняется, т .е. происходит преломление. Если ультразвуковые волны подходят к граничной поверхности перпендикулярно, то отраженные волны тоже будут перпендикулярны ей, при этом образуются стоячие волны. В результате распределение энергии будет неравномерным: и в одних узловых точках наблюдается увеличение интенсивности, в других — уменьшение интенсивности.