Применение ультразвука в медицине

Использование ультразвука  в медицине

Рождение ультразвука

       В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца – разные физические свойства вдоль разных граней.

      Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей применяется  ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования  ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

        Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач. Например, ультразвуковые дефектоскопы,объединенные с компьютером, помогаютконтролировать качество сварных швов, бетонных опор и плит. Ультразвуковую аппаратуру также с успехом применяют для резки и сверления металлов, стекла и других материалов. Ультразвук можно использовать для измельчения вещества – например, для приготовления тонко размолотого цемента или асбеста, для получения однородных эмульсий, для очистки жидкости или газа от примесей. (Рис. 004) С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты. Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный, чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в аэрозольных баллончиках.

       Диагностическое применение ультразвука  в медицине (УЗИ)

Благодаря хорошему распространению  ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в  сравнении с магнитно-резонансной  томографией ультразвук широко применяется  для визуализации состояния внутренних органов человека.

Терапевтическое применение ультразвука  в медицине

Помимо широкого использования  в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется  в медицине как лечебное средство.

Ультразвук обладает действием: противовоспалительным, рассасывающим анальгезирующим, спазмолитическим кавитационным усилением проницаемости кожи

       В настоящее время 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.

        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 (Рис. 009) можно судить орасположении,форме и величине исследуемого органа, однородности (Рис. 010) или неоднородности его тканей. Этодаетвозможность 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, (Рис. 011) 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 (Рис. 012) 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,исключаютвнематочную 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.

        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.

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.

Лечение ультразвуком

        Много лет назад исследователи заметили, что пораненное ухо кролика быстрее заживает, если три раза по 5 минут обработать его ультразвуком с частотой, слегка превышающей порог чувствительности (т.е. > 20 кГц). В тканях при этом увеличивается обмен веществ, усиливается синтез белков и нуклеиновых кислот, повышается проницаемость клеточных мембран. Все эти изменения усиливают регенерацию.

        В настоящее время лечение ультразвуковыми колебаниями получили очень большое распространение. Используется, в основном, ультразвук частотой от 22 – 44 кГц и от 800 кГц до 3 МГц. Глубина проникновения ультразвука в ткани при ультразвуковой терапии составляет от 20 до 50 мм, при этом ультразвук оказываетмеханическое,термическое, физико-химическое воздействие, под его влиянием активизируются обменные процессы и реакции иммунитета. Ультразвук используемых в терапии характеристик обладает выраженным обезболивающим, спазмолитическим, противовоспалительным, противоаллергическим и общетонизирующим действием, он стимулирует крово- и лимфообращение, как уже было сказано, процессы регенерации; улучшает трофику тканей. Благодаря этому ультразвуковая терапия нашла широкое применение в клинике внутренних болезней, в артрологии, дерматологии, отоларингологии и др.

Ультразвуковые процедуры дозируются по интенсивности используемого  ультразвука и по продолжительности  процедуры. Обычно применяют малые  интенсивности ультразвука (0,05 – 0,4 Вт/см2), реже средние (0,5 – 0,8 Вт/см2). Ультразвуковую терапию можно проводить в непрерывном и импульсном режимах ультразвуковых колебаний. Чаще применяют непрерывный режим воздействия. При импульсном режиме уменьшаются тепловой эффект и общая интенсивность ультразвука. Импульсный режим рекомендуется при лечении острых заболеваний, а также для ультразвуковой терапии у детей и пожилых людей с сопутствующими заболеваниями сердечно-сосудистой системы. Ультразвук воздействует лишь на ограниченную часть тела площадью от 100 до 250 см2 (т.н. поле воздействия); это рефлексогенные зоны или область поражения (места проекции боли, сустав, глаз, мышца, рубец, область проекции внутренних органов, гайморовых (т.е. верхнечелюстных) полостей носа, по ходу нерва или сосуда, слизистая оболочка толстой кишки или влагалища).

      В связи с тем, что ультразвуковые колебания отражаются даже от тончайших прослоек воздуха, к телу пациента их подводят, так же, как и при исследовании, через безвоздушные контактные среды – вазелиновое или растительное масло, лекарственные мази, воду. (Рис. 015) При ультразвуковой терапии излучатель, подключенный к генератору электрических колебаний ультразвуковой частоты, перемещают в продольном направлении и по кругу, плотно прижимая её к коже; скорость передвижения излучателя 1 – 2 см/с. В области максимально выраженных болевых точек полезно задержать излучатель на 5 – 10 секунд. Время процедуры составляет 1 – 5 минут и зависит от величины поля воздействия. На курс лечения назначают, обычно, от 5 до 12 процедур. По показаниям лечащего врача, ультразвуковую терапию можно повторить через 3 – 6 месяцев. Процедуры ультразвука проводят через 1 – 2 часа после еды в удобном для больного положении (сидя или лежа). В отличие от диагностики, ультразвуковое лечение не рекомендуется проводить в один день с рентгенологическим обследованием и радионуклидной сцинтиграфией. На протяжении курса ультразвукового лечения запрещается прием алкоголя и снотворных средств. Ультразвуковую терапию можно сочетать с медикаментозным лечением, лечебным питанием, электролечением, водными процедурами и лечебной гимнастикой.

       Ультразвук, наряду с другими средствами, используется при лечении моче- и желчекаменной болезни. Такой неоперативный (т.е. без вмешательства) метод называется экстракорпоральная ударно-волновая литотрипсия. Суть его заключается в дроблении камней для последующего их выведения средствами самого организма – через мочу или желчь. При этом волны генерируются внешним источником энергии и передаются от него к месту проведения операции. Специальный прибор – литотриптор – позволяет точно выявить местоположение камня с помощью ультразвуковых волн и, с их же помощью производит дробление камней. В приборах старого образца пациенту должна быть проведена предварительная анестезия, а его тело погружено в ванну с водой. В приборах нового образца этого не требуется, и процесс дробления камней в организме человека значительно упрощается.

Немного подробностей

Описав лечение ультразвуком в  общих чертах, перейдём к более  подробному рассмотрению этой темы.

       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.