Применение физики в медицине

Применение физики в медицине  

Современная физика нашла применение во многих отраслях нашей жизни- медицине,

промышленности, связи, энергетике .

Мы рассмотрим применение ее в медицине.

     Применение ультразвука

     Приготовление  смесей с помощью ультразвука

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей

(гомогенизации). Еще в 1927 году  американские ученые Лимус и Вуд обнаружили,

что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить  в одну

мензурку и подвергнуть облучению  ультразвуком, то в мензурке образуется

эмульсия, то есть мелкая взвесь масла  в воде. Подобные эмульсии играют

большую роль в промышленности: это  лаки, краски, фармацевтические изделия,

косметика. Широкое внедрение такого метода приготовления эмульсий в

промышленность началось после  изобретения жидкостного свистка.

     Применение ультразвука в биологии.

Способность ультразвука разрывать  оболочки клеток нашла применение в

биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от

ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных

структур, как митохондрии и  хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их

структурой и функциями (аналитическая  цитология). Другое применение

ультразвука в биологии связано  с его способностью вызывать мутации.

Исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой

интенсивности может повредить  молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное

создание мутаций играет большую  роль в селекции растений. Главное

преимущество ультразвука перед  другими мутагенами (рентгеновские  лучи,

ультрафиолетовые лучи) заключается  в том, что с ним чрезвычайно  легко

работать.

     Применение ультразвука для диагностики.

Ультразвуковые колебания при  распространении подчиняются законам

геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и

с постоянной скоростью. На границе  различных сред с неодинаковой акустической

плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая

прямолинейное распространение. Чем  выше градиент перепада акустической

плотности граничных сред, тем большая  часть ультразвуковых колебаний

отражается. Так как на границе  перехода ультразвука из воздуха  на кожу

происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании

больного необходимо смазывание поверхности  кожи водным желе, которое

выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча

(наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых

колебаний (при более высокой  частоте большая часть отражается).

Для исследования органов брюшной  полости и забрюшинного пространства, а также

полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования

щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

Генератором ультразвуковых волн является пьезодатчик, который одновременно

играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в  импульсном

режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между

генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.

В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из

нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. В

датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать  фокус на

определенной глубине.

Используются три типа ультразвукового  сканирования: линейное (параллельное),

конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых

аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для

каждого исследования проводится с  учетом глубины и характера положения

органа. Для щитовидной железы используются конвексные трансдюсоры на 7,5 МГц,

для исследования почек и печени в равной степени пригодны как  линейные, так и

конвексные датчики.

Преимуществом линейного датчика  является полное соответствие исследуемого

органа положению самого трансдюсора на поверхности тела. Недостатком линейных

датчиков является сложность обеспечения  во всех случаях равномерного

прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям

получаемого изображения по краям.

Конвексный датчик имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его

прилегания к коже пациента более  просто. Однако при использовании  конвексных

датчиков получаемое изображение  по ширине на несколько сантиметров  больше

размеров самого датчика. Для уточнения  анатомических ориентиров врач обязан

учитывать это несоответствие.

Секторный датчик имеет еще большее  несоответствие между размерами  трансдюсора

и получаемым изображением, поэтому  используется преимущественно в  тех

случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор  на

глубине. Наиболее целесообразно использование  секторного сканирования при

исследовании, например, через межреберные промежутки.

    

Виды ультразвукового сканирования (схема):

а - линейное (параллельное);

б - конвексное;

в - секторное.

Отраженные эхосигналы поступают  в усилитель и специальные  системы

реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в  виде

изображения срезов тела, имеющие  различные оттенки черно-белого цвета.

Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы.

При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется

на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная - черным

(эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное

положение.

Выбор позитивной или негативной регистрации  не имеет значения. Полученное

изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью

термопринтера.

Первая попытка изготовить фонограммы человеческого тела относится к 1942

году. Немецкий ученый Дуссиле "освещал" ультразвуковым пучком человеческое

тело и затем измерял интенсивность  пучка, прошедшего через тело (методика

работы с рентгеновскими лучами Мюльхаузера). Вначале 50-х годов американские

ученые Уилд и Хаури впервые и довольно успешно применили ультразвук в

клинических условиях. Свои исследования они сосредоточили на мозге, так как

диагностика с помощью рентгеновских  лучей не только сложна, но и опасна.

Применение ультразвука для  диагноза при серьезных повреждениях головы

позволяет хирургу точно определить места кровоизлияний.

Получение такой информации с помощью  рентгеновских лучей требует  около часа

времени, что весьма нежелательно при тяжелом состоянии больного. При

использовании переносного зонда можно установить положение средней линии

мозга (она разделяет его на два  полушария) примерно в течение одной  минуты.

Принцип работы такого зонда основывается на регистрации ультразвукового  эха

от границы раздела полушарий.

Ультразвуковые зонды применяются  для измерения размеров глаза  и определения

положения хрусталика, при определении  местонахождения камней в желчном

пузыре. Существуют зонды, которые помогают во время операций на сердце

следить за работой митрального  клапана, расположенного между желудочком и

предсердием.

     Использование эффекта Доплера в диагностике.

Особый интерес в диагностике  вызывает использование эффекта  Доплера. Суть

эффекта заключается в изменении  частоты звука вследствие относительного

движения источника и приемника  звука. Когда звук отражается от движущегося

объекта, частота отраженного сигнала  изменяется (происходит сдвиг частоты).

При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые

прослушиваются с помощью наушников  или громкоговорителя. В настоящее  время на

основе эффекта Доплера исследованы  только движение крови и биение сердца.

Этот эффект широко применяется  в акушерстве, так как звуки, идущие от матки

легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через

мочевой пузырь. Когда матка наполняется  жидкостью, она сама начинает

проводить звук. Положение плаценты определяется по звукам протекающей  через

нее крови, а через 9 - 10 недель с  момента образования плода прослушивается

биение его сердца. С помощью  ультразвуковых устройств количество зародышей

или констатировать смерть плода.

     Применение ультразвука в терапии и хирургии

Ультразвук, применяемый в медицине, может быть условно разделен на ультразвук

низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука  низких

интенсивностей (0,125 - 3,0 Вт/см2) - неповреждающий нагрев или какие-либо

нетепловые эффекты, а также  стимуляция и ускорение нормальных физиологических

реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (> 5 Вт/см

²) основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.

Первое направление включает в  себя большинство применений ультразвука  в

физиотерапии и некоторые виды терапии рака, второе - ультразвуковую хирургию.

     Применение ультразвука в хирургии.

Существуют две основные области  применения ультразвука в хирургии. В первой из

них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука  вызывать

локальные разрушения в  тканях, а во второй механические колебания

ультразвуковой частоты накладываются  на хирургические инструменты типа лезвий,

пил, механических наконечников.

     Хирургия с помощью фокусированного ультразвука.

Хирургическая техника должна обеспечивать управляемость разрушения тканей,

воздействовать только на четко  ограниченную область, быть быстродействующей,

вызывать минимальные потери крови. Мощный фокусированный ультразвук обладает

большинством из этих качеств.

Возможность использования фокусированного  ультразвука для создания зон

поражения в глубине органа без  разрушения вышележащих тканей изучено  в

основном в операциях на мозге. Позже операции проводились на печени, спинном

мозге, почках и глазе.

     Применение ультразвука в физиотерапии

     Ускорение  регенерации тканей.

Одно из наиболее распространенных применений ультразвука в физиотерапии - это

ускорение регенерации тканей и  заживления ран. Восстановление тканей можно

описать с помощью трех перекрывающихся  фаз.

В течение воспалительной фазы фагоцитарная активность макрофагов и

полиморфнонуклеарных лейкоцитов ведет к удалению клеточных фрагментов и

патогенных частиц. Переработка  этого материала происходит главным  образом при

помощи лизосомальных ферментов макрофагов. Известно, что ультразвук

терапевтических интенсивностей может  вызвать изменения в лизосомальных

мембранах, тем самым ускоряя прохождение этой фазы.

Вторая фаза в залечивании ран - пролиферация или фаза разрастания.

Клетки мигрируют в область  поражения и начинают делиться. Фибробласты  начинают

синтезировать коллаген. Интенсивность  заживления начинает увеличиваться, и

специальные клетки, миофибробласты, заставляют рану стягиваться. Показано, что

ультразвук значительно ускоряет синтез коллагена фибробластами как in

vitro, так и in vivo. Если диплоидные фибробласты человека облучить

ультразвуком частотой 3 МГц и  интенсивностью 0,5 Вт/см² in vitro, то

количество синтезированного белка  увеличится. Исследование таких клеток в

электронном микроскопе показало, что по сравнению с контрольными клетками в них

содержится больше свободных рибосом, шероховатой эндоплазматической сети.

Третья фаза - восстановление. Эластичность нормальной соединительной

ткани обусловлена упорядоченной структурой коллагеновой сетки, позволяющей

ткани напрягаться и расслабляться  без особых деформаций. В рубцовой ткани

волокна часто располагаются нерегулярно  и запутанно, что не позволяет  ей

растягиваться без разрывов. Рубцовая ткань, формировавшаяся при воздействии

ультразвука, прочнее и эластичнее по сравнению с "нормальной" рубцовой тканью.

     Лечение трофических язв.

При облучении хронических варикозных язв на ногах ультразвуком частотой 3 МГц и

интенсивностью 1 Вт/см² в импульсном режиме 2 мс : 8 мс были

получены следующие результаты: после 12 сеансов лечения средняя  площадь язв

составляла примерно 66,4% от их первоначальной площади, в то время как площадь

контрольных язв уменьшилась всего  до 91,6%. Ультразвук может также

способствовать приживлению пересаженных лоскутов кожи на края трофических  язв.

     Ускорение рассасывания отеков.

Ультразвук может ускорить рассасывание отеков, вызванных повреждениями  мягких

тканей, что скорее всего обусловлено увеличением кровотока или местными

изменениями в тканях под действием  акустических микропотоков.

     Заживление переломов.

При экспериментальном исследовании переломов малой берцовой кости  у крыс было

обнаружено, что ультразвуковое облучение  во время воспалительной и ранней

пролиферативной фаз ускоряет и улучшает выздоровление. Костная мозоль у таких