Ультразвук и его применение в медицине

ГБОУ ВПО «Волгоградский государственный медицинский университет

      Министерства  здравоохранения Российской Федерации

 

 

Кафедра физики

 

 

 

     реферат

 

УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

 

 

         Выполнила: студентка 6 группы,

  1 курса, лечебного факультета

  Реброва.Н.С.

 

   Проверил:_________________

 

   __________________________

 

 

 

 

 

                                       Волгоград – 2013

 

 

 

 

План реферата:

 

1 Биофизическая характеристика ультразвука

2 В настоящее время

3 Ультразвуковая терапия

4 Физическая характеристика

5 Вредно ли ультразвуковое исследование

6 Немного подробнее

7 Ультразвук в хирургии

8 Ультразвук – в помощь  фармакологам

9 Ультразвук и косметика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биофизическая характеристика ультразвука

Ультразвук - это довольно обширная область механических колебаний, лежащих за пределами порога слышимости человеческого уха (от 16 кГц до 1000 МГц). Графически он изображается в виде синусоиды положительные полуволны которой соответствуют сжатию в среде, а отрицательные -- ее разрежению.

Ультразвук получают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта, физическая сущность которого состоит в том, что при приложении к торцовой поверхности пластины из кварца, титаната бария (тибара) или другого пьезокристалла переменного электрического напряжения пластина периодически изменяет свою толщину (сжатие -- растяжение). В свою очередь это приводит к тому, что в прилегающих к пластине слоях окружающей среды возникает то разрежение, то сгущение частиц среды, то есть образуются механические колебания ультразвуковой частоты. Ультразвуковые волны способны отражаться от границ разнородных сред, обладают свойствами фокусирования, дифракции и интерференции. Если акустическое сопротивление сред отличается резко, то отражение и преломление ультразвука сильно возрастают. Так происходит на границе биологических тканей и воздуха. К тому же, воздух сильно поглощает ультразвук. Отсюда вытекает основное и важнейшее требование к методике ультразвуковой терапии -- обеспечение безвоздушного контакта ультразвукового излучателя с подвергающимся воздействию участком тела. Для этих целей используют так называемые контактные среды: вазелин, глицерин, ланолин, дегазированную воду или их смеси. Отражение ультразвуковых волн зависит и от угла их падения на зону воздействия. Чем больше этот угол отклоняется от перпендикуляра, проведенного к поверхности среды, тем больше коэффициент отражения. Поэтому при проведении процедуры ультразвуковой излучатель должен прикасаться к коже всей своей поверхностью, так как только в этом случае возможна эффективная передача энергии тканям. Глубина проникновения ультразвука зависит от его частоты и от особенностей (акустической плотности) самих тканей. Принято считать, что в условиях целостного организма ультразвук частотой 800--1000 кГц распространяется на глубину 8--10 см, а при частоте 2500--3000 кГц -- на 1,0--3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение. При патологических процессах поглощение ультразвука изменяется. В случае отека ткани коэффициент поглощения уменьшается, а при инфильтрации клеточными элементами -- увеличивается. Поглощение ультразвука обусловлено внутренним торможением, трением и соударениями колеблющихся частиц среды.

Важнейшими физическими характеристиками ультразвука, наиболее часто учитываемыми при его лечебном использовании, считаются следующие:

-- частота, указывающая на число  полных колебаний частиц среды  в единицу времени и выражающаяся  обычно в килогерцах (кГц); аппараты  для ультразвуковой терапии сегодня  работают в основном на фиксированных  частотах (880; 2640 кГц и др.);

-- сила (или интенсивность) ультразвука, под которой понимают энергию, проходящую за 1 с через площадь  в 1 см2; чаще в медицине ее выражают в Вт/см2 (1 Вт/см2 = 1 эрг/(с·см2)); с лечебной целью применяют ультразвук интенсивностью от 0,05 до 1,0--1,2 Вт/см2;

-- амплитуда смещения (амплитуда ультразвуковой  волны), которая указывает на максимальное  отклонение частиц среды от  положения равновесия: чем она  больше, тем более значительные  изменения возникают в тканях;

-- скважность, которая является отношением  периода следования импульсов (в  отечественных аппаратах он равен 20 мс) к длительности импульса (в  отечественных аппаратах она  равна 2,4 и 10 мс, а следовательно, скважность  равна соответственно 10,5 и 2); чем  выше скважность, тем меньше нагрузочность  на организм больного.

В настоящее время                                                                                              Сегодня ультразвуковая диагностика получила широкое распространение. В основном при распознавании патологических изменений органов и тканей используют ультразвук частотой от 500 кГц до 15 МГц. Звуковые волны такой частоты обладают способностью проходить через ткани организма, отражаясь от всех поверхностей, лежащих на границе тканей разного состава и плотности. 
По физической сути можно выделить две разновидности ультразвукового исследования: ультразвуковая локация и ультразвуковое просвечивание. При ультразвуковой локации регистрируются импульсы ультразвука, отраженные от границы сред, имеющих различные акустические свойства. Перемещение датчика позволяет выявить размеры, форму и расположение исследуемого объекта. Ультразвуковое просвечивание основано на различном поглощении ультразвука разными тканями организма. При исследовании внутреннего органа в него направляют ультразвуковую волну определенной интенсивности и регистрируют интенсивность прошедшего сигнала датчиком, находящимся по другую сторону органа. По степени изменения интенсивности воспроизводится картина внутреннего строения сканируемого органа. 
Принятый сигнал обрабатывается электронным устройством, результат выдается в виде кривой (эхограмма) или двухмерного изображения (т.н. сонограмма – ультразвуковая сканограмма). 
В первом случае, т.е. при одномерном (т.н. А-методе), отраженный сигнал образует на экране осциллографа фигуру в виде пика на прямой линии. Высота пика соответствует акустической плотности среды, а расстояние между пиками – глубине расположения границы раздела между средами. А-метод широко применяется для распознавания болезней головного мозга (эхоэнцефалография), органов зрения (эхоофтальмография), сердца (эхокардиография). 
Двухмерный (т.н. В-метод), - способ получения двухмерного изображения посредством сканирования – перемещения ультразвукового пучка по поверхности тела во время исследования. Сканирование обеспечивает регистрацию сигналов последовательно от разных точек объекта; изображение возникает на экране телевизионного монитора и может быть зафиксировано на фотобумаге или пленке; его можно подвергать математической обработке, измеряя, в частности, величину разных элементов объекта. Яркость каждой точки на экране находится в прямой зависимости от интенсивности эхо-сигнала. Изображение на телевизионном экране представлено, обычно, 16-ю оттенками серого цвета или цветной палитрой, отражающими акустическую структуру тканей. На аппаратах с серой шкалой конкременты (т.е. твердые, похожие на гальку массы, чаще всего образующиеся в желчном пузыре или в мочевыводящих путях) выглядят ярко-белыми, а образования, содержащие жидкость, например, кисты, - черными. 
Современная аппаратура позволяет производить ультразвуковое сканирование с большой частотой кадров в 1 секунду, что обеспечивает прямое наблюдение за движениями органов (исследование в реальном времени). По таким сканограммам можно судить о расположении, форме и величине исследуемого органа, однородности или неоднородности его тканей. Это дает возможность выявлять диффузное уплотнение органа (например, при циррозе печени), находить в нем полости с жидкостью, а также опухолевые образования и плотные очаги. Так, если рентген обнаруживает опухоль, когда плотность её отличается от плотности здоровой ткани в 1,5 – 2 раза и она часто бывает уже неоперабельной, то ультразвук «чувствует» её значительно раньше. На эхограммах сердца вырисовываются его стенки, полости, клапаны, на сонограммах живота – структура печени, желчного пузыря, поджелудочной железы, селезенки, почек и т.д. По эхограммам можно распознать асцит, водянку желчного пузыря, желчные камни, панкреатит и опухоль поджелудочной железы, различные заболевания почек, опухоли, гематомы, кисты и абсцессы печени и др. С помощью ультразвукового исследования выявляют поражения щитовидной и слюнных желёз, небольшие количества жидкости в плевральной полости. Широкое распространение получило ультразвуковое сканирование органов малого таза для распознавания кист и опухолей яичников, опухолей мочевого пузыря, прямой кишки и предстательной железы, объема остаточной мочи в мочевом пузыре. По эхограмме определяют срок беременности, положение и массу плода, аномалии его развития, многоплодие, исключают внематочную беременность, а, начиная с 26 недель – устанавливают пол будущего ребенка. Для получения высококачественных «срезов» аорты и её крупных ветвей, нижней полой и воротной вен, артерий печени, желудка и почек с помощью ультразвуковой диагностики, не требуется, как при ангиографии, вводить в сосуды рентгеноконтрастное вещество и можно многократно повторять исследование, не опасаясь нанести вред больному. Изучая положение, форму, калибр и очертания кровеносных сосудов, можно выявлять их патологические изменения. 
В последнее время особенно бурно развивается Доплер-метод, основанный на использовании как непрерывного, так и импульсного ультразвука. Он позволяет регистрировать изменения тока крови даже в небольших кровеносных сосудах, поэтому доплерография применяется и в акушерстве – с её помощью оценивают поток крови через пуповину, работу сердца и сосудов ребенка. Этот подход оказался ценным и для онкологии – ведь развивающаяся опухоль «обрастает» кровеносными сосудами, внутри неё происходят небольшие кровоизлияния, образуются участки омертвевшей ткани. Всё это вызывает изменения кровотока в сосудах и легко может быть обнаружено с помощью Доплер-метода. 
Благодаря ультразвуковой технике стало возможным увидеть и то, что происходит внутри костной ткани. Скорость распространения ультразвука в костях дает информацию об их строении, содержании органических и минеральных веществ. Любые патологические изменения, старение, развитие опухолей немедленно отражаются на акустических свойствах кости. Например, при появлении опухолей внутри кости, скорость ультразвука увеличивается на 9 – 10%. Эффективность лечения таких опухолей с помощью гормонов, химиотерапии или облучения можно параллельно контролировать ультразвуковыми методами. Деминерализация костей или патологические изменения скелета могут быть выявлены на ранней стадии, когда ещё не поздно начинать лечение и диету, замедляющую развитие болезни. 
Ультразвуковые методы исследования оказались полезны и для анализа человеческой крови. Дело в том, что мембраны красных кровяных клеток – эритроцитов – становятся более «хрупкими» при различных заболеваниях, инфекциях, приеме алкоголя. Этот факт давно используется в медицине. Раньше кровь смешивали в пробирке с антикоагулянтом, интенсивно встряхивая. Из разрушающихся клеток освобождался гемоглобин, который окрашивал плазму крови, обычно бесцветную, в красный цвет. По интенсивности этой окраски и можно судить о скорости и степени разрушения эритроцитов. 
Оказалось, что гораздо проще разрушать эритроциты ультразвуком низкой интенсивности. В результате получаются так называемые эритрограммы. Этот метод дает более точную информацию о прочности мембран. В сочетании с компьютерным анализом он позволяет не только улучшить диагностику заболеваний крови, например, лейкоза, но и судить о других патологиях, не имеющих четкой клинической картины. Например, на начальных стадиях цирроз печени обычно не дает о себе знать, но токсические продукты, появляющиеся в крови из-за неправильной работы печени, разрушают мембраны эритроцитов, и эритрограмма резко изменяется. У онкологических пациентов прочность мембраны эритроцитов, наоборот, сильно увеличивается. 
В последнее время в диагностике широко применяется и такой метод: каплю крови помещают в кювету, дном которой служит ультразвуковой излучатель. При включении ультразвука с частотой 500 кГц и определенной интенсивностью капля начинает светиться – возникает сонолюминесценция. Свечение это постепенно гаснет, и по скорости его затухания можно судить о состоянии организма, онкологических заболеваниях. Сонолюминесценция сильно повышается при беременности, поскольку меняется белковый состав крови. 
Разработаны ультразвуковые датчики, которые предназначены для введения в организм. Например, с помощью такого датчика, введенного через прямую кишку, удается выявлять опухоли кишечника и устанавливать их размеры. Созданы специальные датчики для ультразвукового исследования непосредственно на операционном столе во время оперативного вмешательства, позволяющие определить число и местонахождение камней в почках и в желчных протоках. В клиническую практику внедряется методика пункций внутренних органов и патологических образований (опухолей, абсцессов и др.) под контролем ультразвукового сканирования. 
Для ультразвукового исследования чаще всего не требуется специальной подготовки больных. Однако при необходимости очень тщательного изучения органов брюшной полости, особенно поджелудочной железы, прибегают к предварительному очищению кишечника с помощью клизм. Больной должен явиться в кабинет натощак. Исследования органов таза рекомендуется проводить при наполненном мочевом пузыре. Больного могут исследовать в разном положении тела: лёжа на спине, животе, на боку, а также – стоя и сидя. Кожу над исследуемой областью смазывают хорошо проводящим ультразвук вазелиновым маслом или специальным гелем. Используют различные положения ручного зонда (преобразователя). Меняя положение преобразователя, врач стремится получить возможно более полную информацию о состоянии органов. 
Современная ультразвуковая аппаратура позволила расширить границы знаний о микромире. С её помощью можно получить контрастные и объемные изображения клеток и тонких срезов тканей. Существует специальный акустический микроскоп, в котором используются ультразвуковые волны высокой частоты. Таким микроскопом улавливаются самые тончайшие изменения «архитектуры» клеток и дают информацию о событиях внутри организма. 
Ультразвуковая терапия

 

 Это применение с лечебной целью механических колебаний ультравысокой частотой (20-3000 кГц).Ультразвук находит применение в хирургии для литотрипсии (высокоинтенсивный), УЗИ-диагностики (низкоинтенсивный, с различной частотой; чем выше частота, тем поверхностнее проникает ультразвук) и физиотерапии (низкой интенсивности и стабильной частоты). Механические колебания в медицине используют: инфразвуковые (ниже 16 Гц) для вибротерапии (1-200 Гц); звуковых колебаний (16-20000 Гц) для психотерапии (фонотерапия), подобрана музыка для лечения определенных заболеваний и записана на аудиокассетах - музыка меняет деятельность сердца, регулирует соотношения симпатической и парасимпатической систем.

Физическая характеристика

Действующий фактор - механические колебания с частотой 880 кГц (1 МГц) и 2640 кГц (3 МГц) низкой интенсивности (до 1, 2вт. см2). Под интенсивностью понимается мощность, приходящаяся на 1 см2 площади ультразвуковой головки. Поглощение ультразвука определяется параметрами и свойствами тканей. Меньшей проникающей способностью и большим поглощением обладают ультразвуковые колебания более высоких частот. Ультразвук частотой 880 кГц проникает на глубину 4-6 см, 2640 кГц - на 1-3 см. Наибольшее поглощение ультразвука происходит в газах, наименьшее - в твердых средах. На границах двух сред поглощается не только прямая, но и отраженная энергия. Слой воздуха 0, 01 мм почти полностью поглощает ультразвук, поэтому при проведении лечебных процедур для создания безвоздушного пространства применяются контактные среды. Скорость распространения ультразвука максимальная в твердых средах, минимальная - в газообразных. Ультразвук вызывает перепады давления - сжатие и разрежение среды. Разница в давлениях может достигать 260 кПа (2, 6 атм.). При больших интенсивностях ультразвука (в эксперименте) может возникать кавитация - разрыв тканей и жидкости с образованием полостей. При ультрафонофорезе используют препараты, обладающие синергичным с ультразвуком действием, не разрушающиеся и не меняющие фармакологических свойств в поле действия ультразвука. Наиболее широко используют гидрокортизон, аналгин, кортан, пелан, трилон Б, тиодин, компламин, апрессин, обзидан.

Вредно ли ультразвуковое исследование? 
Применение ультразвукового метода диагностики безболезненно и практически безвредно, так как не вызывает реакций тканей. Поэтому противопоказаний для ультразвукового исследования не существует. Благодаря своей безвредности и простоте ультразвуковой метод имеет все преимущества при обследовании детей и беременных. Использование диагностического ультразвука в акушерской практике должно всегда быть основано на принципе - потенциальный риск допустИм только при получении очевидной полезной информации. Вопросы безопасности ультразвуковых исследований изучаются на уровне международной ассоциации ультразвуковой диагностики в акушерстве и гинекологии. На сегодняшний день принято считать, что никаких отрицательных воздействий ультразвук не оказывает. Есть несколько предположений о том, что теоретически ультразвук обладает рядом отрицательных биологических эффектов. Но это касается только относительно нового доплеровского исследования. В том числе и так называемого цветового доплера, применяемого для оценки скорости кровотока у плода. Подобное исследование делается только с согласия пациента и только по показаниям. До настоящего времени пока нет ни одного сообщения о возникновении отрицательных эффектов у человека в результате ультразвукового обследования. 
Немного подробнее 
Как уже было сказано, проницаемость клеточных мембран повышается при любом воздействии ультразвука. Широко распространен метод воздействия на кожу, при котором, за счет повышения мембранной проницаемости, одновременно вводятся в организм нужные лекарственные вещества. Он называется ультрафонофорез или просто – фонофорез, т.е. ультразвуковое введение лекарств. С помощью фонофореза молекулы поступают не в межклеточную жидкость, а точно по назначению, в клетки. На долю клеток приходится около 90 % всего объема ткани. Поэтому при фонофорезе лишь одна десятая часть объёма ткани «ускользает» от лекарственного воздействия. Таким образом, например, в камеру глаза, заполненную влагой, вводят вещества, которые не могут туда проникнуть иным способом, - гепарин, дексазон. 
Если же нужно, чтобы лекарство проникло во все части ткани – и в клетки, и в межклеточную жидкость, - например, при лечении опухолей, фонофорез используют в сочетании с электрофорезом. 
Изменение проницаемости клеточных мембран под действием ультразвука вызывает временное ослабление чувствительности тканей, поскольку нервные импульсы гаснут при переходе от клетки к клетке. Это свойство используется для снятия ревматических болей. Благоприятно воздействует ультразвук и на поверхность ран – кроме снижения боли, уменьшается отёк, быстрее рубцуется ткань, а при заживлении операционных швов не образуется больших шрамов. Очевидно, что кроме усиления обмена веществ, при этом активизируются и имунные механизмы. 
Специальными приборами ультразвук можно сфокусировать и точно направить на небольшой участок ткани – например, на опухоль. Под действием сфокусированного луча высокой интенсивности, местно, клетки нагреваются до температуры 42*C. Раковые клетки начинают гибнуть при повышении температуры, и рост опухоли замедляется.

Применение в хирургии 
Одновременно с лазерной сегодня бурно развивается и ультразвуковая хирургия. Она имеет даже некоторые преимущества – хирург, работающий с ультразвуковым ножом-скальпелем, ощущает сопротивление ткани и без труда может контролировать глубину разреза. Уменьшается и кровотечение при операции, поскольку лезвие ультразвукового ножа, колеблясь, повышает температуру у кромки разреза и кровь быстро свертывается. Само по себе ультразвуковое воздействие, как уже было сказано, обезболивает оперируемую ткань. 
Гораздо легче обстоит дело и со стерилизацией хирургических инструментов. Когда их опускают в дезинфицирующий раствор, одновременно включают ультразвук, и возникающие микропотоки жидкости хорошо очищают поверхность, а мембраны микробных клеток становятся проницаемыми для дезинфицирующего раствора. Если создать такие микропотоки в растворе антибиотиков, можно стерилизовать и обычные хирургические инструменты, и руки хирурга. Полная стерилизация занимает всего полторы минуты, а дезинфицирующих веществ требуется гораздо меньше.  
Обработка ультразвуком используется при склеивании резаных ран, а также, при герметизации швов – она не дает развиваться микрофлоре между хирургическим клеем и больной тканью и ускоряет полимеризацию самого клея. Используется также ультразвуковая сварка мягких тканей с костью – на месте соединения при этом нет рубцов и шрамов. 
Нередко успех операции зависит не только от искусства хирурга, а ещё и от того, удалось ли избежать послеоперационных осложнений. Глубокие раны заполняют раствором антибиотика и вводят в них крошечный ультразвуковой волновод диаметром 3 – 5 мм. Ультразвуковые колебания вызывают движение микропотоков жидкости, которые смывают с поверхности раны микробы, омертвевшие клетки, сгустки крови, так что рана становится практически стерильна. Кроме того, воздействие ультразвука на больной участок, как уже говорилось, усиливает обмен веществ, улучшает кровоснабжение и снимает отёк, что способствует быстрому заживлению. Такую «очистку» производят также при внутриполостных операциях. 
Ультразвук – в помощь фармакологам 
За последние 10 лет появилось огромное количество новых лекарственных препаратов, выпускаемых в виде аэрозолей. Они часто используются при респираторных заболеваниях, хронических аллергиях, для вакцинации. Аэрозольные частицы размером от 0,03 до 10 мкм применяют для ингаляции бронхов и легких, для обработки помещений. Их получают с помощью ультразвука. Если такие аэрозольные частицы зарядить в электрическом поле, то возникают еще более равномерно рассеивающиеся (т.н. высокодисперсные) аэрозоли. Обработав ультразвуком лекарственные растворы, получают эмульсии и суспензии, которые долго не расслаиваются и сохраняют фармакологические свойства. Лекарственное вещество в таких суспензиях и эмульсиях раздроблено до мельчайших частиц размером 0,1 – 0,5 мкм и приобретают качественно другие свойства. Например, эмульсия рыбьего жира, приготовленная с помощью ультразвука, лишена характерного запаха и вкуса, иногда неприятного для многих пациентов. (Рис. 019-Т) В клинике успешно применяются высокоактивные эмульсии мугроля, альбихтола, касторового и вазелинового масел, нафталанской нефти. 
Большие возможности дает ультразвуковая обработка и при производстве лейкоцитарного интерферона. Препараты наиболее качественного интерферона получают из свежевыделенных лейкоцитов донорской крови. Оказалось, что облучение суспензии лейкоцитов ультразвуком (0,05 Вт/ см2 – 0,06 Вт/ см2) увеличивает выход интерферона на 20 – 30 %. (Возможно, этим и объясняется успех локального ультразвукового воздействия при физиотерапии – оно также стимулирует синтез интерферона в ткани). 
Весьма перспективной оказалась и транспортировка липосом – жировых микрокапсул, заполненных лекарственными препаратами, в ткани, предварительно обработанные ультразвуком. В тканях, подогретых ультразвуком до 42 – 45*С, сами липосомы разрушаются, а лекарственное вещество попадает внутрь клеток сквозь мембраны, ставшие проницаемыми под действием ультразвука. Липосомный транспорт чрезвычайно важен при лечении некоторых острых воспалительных заболеваний, а также в химиотерапии опухолей, поскольку лекарства концентрируются только в определенной области, почти не затрагивая другие ткани. 
Ультразвук и косметика 
Давно известно, что при заболеваниях кожи изменяется её упругость и плотность. Прыщик, бляшка, отёк, увядание кожи отражаются на скорости поверхностных ультразвуковых волн, что используют для диагностики кожных заболеваний. Для этой цели служат специальные акустические кожные анализаторы. Не так давно были разработаны ультразвуковые приборы, позволяющие исследовать физиологическое состояние не только поверхности, но и каждого из слоев кожи, а также подкожной жировой ткани и ногтей. Изменения в соединительнотканном и мышечном слое проявляются задолго до появления морщин, складок и других признаков увядания. Их можно обнаружить с помощью ультразвука частотой 200 МГц. Такого рода исследования проводят известные косметические фирмы, предлагая покупателям много новых рецептов. Каждое из средств по уходу за кожей проходит тщательный и всесторонний контроль, изучаются возможные побочные эффекты, реакция организма на его применение. Эту трудоёмкую работу можно значительно облегчить с помощью ультразвуковых приборов, которые контролируют физиологическое состояние кожи. В результате ускоряются сроки апробации препаратов, снижаются затраты времени и средств. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использованные источники информации: 
 
1. «Детская энциклопедия», том 3; Москва, «Просвещение»; 1966 
 
2. Большой толковый медицинский словарь «Oxford»; Москва, «Вече», «АСТ»; 1998 
 
3. «Популярная медицинская энциклопедия»; Москва, «Оникс», «Альянс-В»; 1998 
 
4. Выборка из журналов «Наука и жизнь», 1996 
 
5. «Малая медицинская энциклопедия», 1994 
 
6. Брошюра «Физика и медицина» 
 
7. Ресурсы Глобальной компьютерной сети «Internet»