Давно известно, что ультразвуковоеизлучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевенвпервые заметил повреждающее действие ультразвукового излучения на живыеорганизмы. Результаты его наблюдений, атакже сведения о том, что ультразвуковые волны могут проникать сквозь мягкиеткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возникбольшой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различныхзаболеваний. Этот интерес не ослабевал и в дальнейшем, причем развитиемедицинских приложений шло по самым различным направлениям; особенно широко ультразвук стал применяться вфизиотерапии. Тем не менее, лишь сравнительно недавно стал намечаться истиннонаучный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействииультразвукового излучения с биологической средой.
С применением ультразвука в медицине связаномножество разных аспектов. Однако, при этом физика явления должна включать следующие процессы: распространениеультразвука в «биологической среде», такой как тело человека, взаимодействиеультразвука с компонентами этой среды и измерения и регистрация акустическогоизлучения, как падающего на объект, так и возникающего в результатевзаимодействия с ними.
Проблема интерпретации взаимодействияакустического излучения с биологической средой существенно упрощается, еслипоследнюю рассматривать не как твердое тело, а как жидкость. В такой среде нетсдвиговых волн, поэтому теория распространения волн проще, чем для твердого тела. В диапазонеультразвуковых частот, применяемых в медицинской акустике, это предположениесправедливо почти для всех тканей тела, хотя имеются и исключения, напримеркость. То, что взаимодействие ультразвука с тканью можно смоделировать еговзаимодействием с жидкостями, — важный фактор, повышающий практическую ценностьмедицинской ультразвуковой диагностики.
Прием и измерение ультразвука
В медицинских или биологических приложениях необходимостьв приеме и измерении ультразвука возникает в трех обширных областях. Этополучение диагностической информации от пациента, измерение акустическихполей, которыми могут облучаться живые клетки и ткани, в том числеи ткани пациентов.
Ультразвук по определению не воспринимаетсянепосредствен-но органами чувств человека, и поэтому необходимо использоватькакой-то физический эффект илипоследовате-льность таких эффектов, чтобы действие ультразвука моглопроявиться, причем главным образомколичественно. Таким образом, выбор метода для конкретной задачи производитсясточки зрения удобства его применения, а также точности измерения интересующегопараметра акустического поля.
Эхо-имульсивные методы визуализации
и измерений
Методыультразвуковой эхо-импульсной визуализации уже нашли широкое и разнообразноеприменение в медицине.
Основнымэлементом любой системы визуализации является электроакустическийпреобразователь, который служит для излучения зондирующего акустическогоимпульса в объект и для приема акустических эхо-сигналов, переизлучаемыхмишенью.
Приемник представляет собой своего родасистему сопряжения между преобразователем и дисплеем или системой записи,которые применяются для передачи наблюдателю информации, полученной с помощьюультразвука. В хороших системах эхо-сигналы на выходе преобразователя имеютбольшой динамический диапазон.
Областиприменения эхо-импульсных методов
Эхо-импульсные методы в настоящее время сталишироко применятся во многих областях медицины.
АКУШЕРСТВО
Акушерство – та область медицины, где эхо-импульсивныеультразвуковые методы наиболее прочно укоренились как составная частьмедицинской практики. Рассматриваемые здесь четыре основных задачи иллюстрируютценность многих полезных свойств ультразвуковых методов.
· Надежное определение положения плаценты –задача первостепенной важности в акушерской практике. С развитием техники,обеспечивающее высокое расширение по контрасту, эта процедура стала ужерутинной. Приборы, работающие в реальном времени, эргономически более выгодны,так как позволяют определять положения плаценты быстрее, чем статическиесканеры.
· Второй вид процедур, ставшихуже привычными, — оценка развития плода по измерению одного или более егоразмеров, таких как диаметр головки, окружность головки, площадь грудной клеткиили живота. Так как даже очень малые изменения этих размеров могут иметьдиагностическое значение, эти методы требуют высокой точности самой аппаратуры и методик ееприменения.
· Третий вид процедур, появившийсяне так давно и не столь еще укоренившийся в практике, — раннее обнаружениеаномалий плода. Это приложение требует особенно хорошего пространственногоразрешения и разрешения по контрасту, предпочтительно в сочетании с режимомреального времени и быстрым сканированием. Хорошие методики и качественная аппаратурапозволяют обнаруживать такие дефекты, как недоразвитие (гибель) яйца,анэнцефалия (полное или почти полное отсутствие мозга), гидроцефалия (избыток жидкостив мозге, наблюдаемый в виде уширения желудочков), спинальные (позвоночные)дефекты, зачастую необнаружимые биохимическими методами, и дефектыжелудочно-кишечного тракта. Вспомогательную, но очень важную роль играетультразвук в процедуре амниоцентеза (пункции плодного пузыря) – взятии околоплодныхвод для цитологических исследований и выявления возможных генетическихнарушений. Ввод иглы при амниоцентезе под контролем ультразвуковойвизуализации, обеспечивает значительно большую безопасность этой процедуры.
· Наконец, необходимо отметитьультразвуковое исследование движения плода. Это явление лишь недавно сталопредметом подробного исследования. Сейчаспроисходит накопление большого количества информации как по движениюконечностей плода и псевдодыханию, так и по динамике сердца и сосудов. Здесь основнойинтерес представляет исследования физиологии и развития плода; до обнаруженияаномалий плода пока еще далеко. ОФТАЛЬМОЛОГИЯ
Может быть, из-за относительно малыхразмеров глаза офтальмология несколько выделилась из прочих областей примененияультразвука.
Ультразвук особенно удобен для точного определенияразмеров глаза, а также для исследования патологии и аномалий структур глаза вслучае их непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптическогоисследования. Здесь также важна точность работы и калибровки аппаратуры,необходимо также уделить особое внимание эффектам, связанным с преломлением ультразвука в хрусталике ироговице.
Область позади глаза – орбита – доступна ультразвуковомуобследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографиейстал одним из основных методов неинвазивного исследования патологий этойобласти. Структуры орбиты имеют малые размеры и требуют хорошего пространственногоразрешения и разрешения по контрасту, что достижимо на высоких частотах. Практическиесложности могут возникать, однако, если пытаться использовать аппаратуру,характеристики которой заимствованы из телевизионной техники, а полосапропускания соответственно ограничена. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ
Под таким заголовком можно рассмотретьмножество разнообразных задач, в основном связанных с исследованием брюшнойполости, где ультразвук используется для обнаружения и распознавания аномалийанатомических структур и тканей. Зачастую задача такова: есть подозрение назлокачественное образование и необходимо отличить его от доброкачественных илиинфекционных по своей природе образований.
При исследовании печени кроме важной задачиобнаружения вторичных злокачественных образований ультразвук полезен длярешения других задач, включая обнаружение заболеваний и непроходимости желчныхпротоков, исследования желчного пузыря с целью обнаружения камней и другихпатологий, исследование цирроза и других доброкачественных диффузных заболеванийпечени, а также паразитарных заболеваний, таких как шистосоматоз. Почки – еще один орган, в котором необходимоисследовать различные злокачественные и доброкачественные состояния (включаяжизнеспособность после трансплантации) с помощью ультразвука. Гинекологические исследования,в том числе исследования матки и яичников, в течение долгого времени являютсяглавным направлением успешного применения ультразвука. Здесь зачастую такженеобходима дифференциация злокачественных и доброкачественных образований, чтообычно требует наилучшего пространственного и контрастного разрешения. Аналогичныезаключения применимы и к исследованию многих других внутренних органов иобластей. Возрастает интерес к применению ультразвуковых эндоскопическихзондов. Эти устройства, которые можно вводить в естественные полости тела приобследовании или применять при хирургическом вмешательстве, позволяют улучшитькачество изображения из-за более высокой рабочей частоты и/или отсутствия напути ультразвука таких неблагоприятных акустических сред, как газ или кость.
ПРИПОВЕРХНОСНЫЕ И НАРУЖНЫЕ ОРГАНЫ
Щитовидная и молочная железы, хотя и легкодоступны ультразвуковому обследованию, часто требуют использования водяного иионного буфера, чтобы на изображение не повлияли аномалии ближней зоны поля. Приисследовании щитовидной и паращитовидной железе основное применение ультразвука– различение кистозных и твердых образований, что возможно при хорошемподавлении шума и артефактов, вызванных реверберацией и боковыми лепестками излучения.
Захватывающая перспектива – скрининг длявыявления самых разных признаков рака молочной железы при отсутствии выраженныхсимптомов, особенно у женщин с аномально высоким фактором риска. Технически здесьнеобходимо обнаружить аномалию размеров около 2мм в диаметре, когда этааномалия относительно редко встречается в заданной группе, например, будеттолько у одной пациентке.
Методы визуализации молочной и щитовиднойжелез, часто использующие акустическую задержку распространения, применимытакже к обследованию других приповерхностных тканей, например, при измерениитолщины кожи, необходимо в радиационной терапии для облучения электронами, при обследовании приповерхностных кровеносныхсосудов, таких как сонная артерия, а также при исследовании реакции опухолей натерапевтические воздействия.
КАРДИОЛОГИЯ
Ультразвуковые методы широкоприменяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных сосудов. Это связано,в частности, с возможностью быстрого получения пространственной информации, атакже возможностью ее объединения с томографической визуализацией. Так, дляобнаружения и распознавания аномалий движения клапанов сердца, в частностимитрального, очень широко используется М-режим. При этом важно регистрироватьдвижение клапанов вплоть до частот порядка 50Гц и, следовательно, с частотойповторения около 100Гц. Эта цифра, оставаясь значительно ниже упомянутого вышепридела для эхо-импульсных приборов (около 5кГц), в сущности, недостижима при любыхдругих методах исследования.
НЕВРОЛОГИЯ
До появления рентгеновской компьютернойтомографии мозг было особенно сложно исследовать. Начиная с 1951г., вЛондонском королевском онкологическом госпитале предпринимались значительныеусилия для применения ультразвука к этой задаче. К сожалению, этому мешаютфизические свойства черепа взрослого человека, поскольку череп представляетсобой сильно поглощающую трехслойною структуру переменной толщины. Хотя былосделано несколько интересных попыток преодолеть эти трудности, в том числе сиспользованием управляемых многоэлементных решеток, когда датчик прилегает кограниченной области черепа, а также с частичной автоматической компенсациейфазовой задержки для учета изменений толщины черепа, такое применение невстретило одобрения диагностов. Однако еще не затвердевший череп плода илиноворожденного в акустическом плане не представляет значительных преград, связанныхс возникновением затухания или преломления, и поэтому ультразвуковоеобследование здесь применяется все чаще.
Применение ультразвука втерапии и хирургии
Давно известно, что ультразвук, действуя наткани, вызывает в них биологические изменения. Интерес к изучению этой проблемыобусловлен, с одной стороны, естественным опасением, связанным с возможнымриском применения ультразвуковых диагностических систем для визуализации, а сдругой – возможностью вызвать изменения в тканях для достижениятерапевтического эффекта.
Терапевтический ультразвук может бытьусловно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задачаприменения ультразвука низких интенсивностей – не повреждающей нагрев иликакие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологическихреакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях основная цель– вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.
Первое направление включает в себя большинствоприменений ультразвука в физиотерапии и некоторые виды терапии рака, второе –ультразвуковую хирургию.
НАГРЕВ
Распределение температуры в тканяхмлекопитающих при ультразвуковом нагреве, уже подробно обсуждались. Управляемыйнагрев глубоко расположенных тканей может дать продолжительный терапевтическийэффект в ряде случаев.
Высокий коэффициент поглощения ультразвукав тканях с большими молекулами обусловливает заметное нагревание коллагенсодержащихтканей, на которые чаще всего и воздействуют ультразвуком прифизиотерапевтических процедурах.
Увеличениерастяжимости коллагенсодержащих тканей
Основнойфактор, который часто препятствует восстановлению мягкой ткани после ее повреждения,- это контрактура, возникающая в результате повреждения и ограничивающаянормальное движение. Слабое прогревание ткани может повысить ее эластичность.при дополнительном прогревании во время растягивающих упражнений улучшается гибкостьколлагенсодержащих структур. Ультразвуковой нагрев приводит к увеличению растяжимостисухожилий. Рубцовая ткань также может стать более эластичной под воздействиемультразвука.
Повышениеподвижности суставов
Амплитуда движений суставов в случае контрактуры может быть увеличена путем их нагрева. Для нагрева сустава, окруженногозначительным слоем мягких тканей, ультразвуковой способ наиболее предпочтителен,поскольку ультразвук лучше других форм диатермической энергии проникает вмышечную ткань.
Болеутоляющее действие
Многиепациенты отмечают ослабление болей при тепловом воздействии на пораженныеобласти. Обезболивающий эффект может быть как кратковременным, так ипродолжительным. При некоторых заболеваниях применение ультразвука дляуменьшения болей дает наилучшие результаты. Ультразвук ослабляет фантомныеболи после ампутации конечностей, а также боли, вызванные образованием рубцови невром. Механизмы болеутоляющего действия пока неясны; возможно, в них вносят вклади нетепловые эффекты.
Изменения кровотока
При локальном нагреве ткани часто отмечаютсясосудистые реакции, проявляющиеся даже на некотором расстоянии от меставоздействия.
При нагревеультразвуком или электромагнитном излучением наблюдаются сходные эффекты. При импульсномоблучении (когда тепловые эффекты не велики) также изменяется кровоток. Эти изменениясохраняются около получаса после окончания процедуры.
Местное расширение сосудов увеличиваетпоступления кислорода в ткань и, следовательно, улучшает условия, в которыхнаходятся клетки. Возможно, именно этим объясняется терапевтический эффект, атакже нередко наблюдаемое усиление воспалительной реакции.
Уменьшениемышечного спазма
Прогревание можетуменьшить мышечный спазм. По-видимому, это обусловлено седативным(успокаивающим) действием повышения температуры на периферические нервныеокончания. Ультразвук также может быть использован для этой цели.
Степень физиологической реакции напрогревание зависит от большого числа факторов, включающих достигаемуютемпературу, время прогревания, размер прогреваемой зоны и скорость увеличениятемпературы. Ультразвук позволяет быстро нагреть строго определенную область. Канатомическим структурам, которые избирательно нагреваются ультразвуком,относятся богатые на коллаген поверхностныеслои кости, надкостница, суставные мениски, синовиальная жидкость, суставныесумки, соединительные ткани, внутримышечные рубцы, мышечные волокна, оболочки сухожилийи главные нервные стволы.
В ряде случаев ультразвук может быть болееэффективной формой диатермии, чем коротковолновые излучения, парафиновыеаппликации и инфракрасное излучение. Оценка безопасности применения
ультразвукав медицине
Как научные,так и профессиональные интересы обязывают ученых выяснить, какую опасность дляпациента и оператора представляет использование ультразвука.
В настоящее время невозможно выделить один или даже несколькофизических параметров, которые служили бы в качестве адекватных количественныххарактеристик, позволяющих предсказать конечный биологический эффект.
В отсутствии адекватной информации, наоснове которой должны быть установлены максимально допустимые дозы приприменении ультразвука в медицине, было бы полезным выдвинуть некоторыекритерии для правильного применения ультразвука. Ряд таких критериев может бытьобобщен следующим образом:
1. Оператор должен использоватьминимальные интенсивности и экспозиции, позволяющие получить у пациентажелаемый клинический эффект;
2. Обслуживающий персонал недолжен облучатся без необходимости;
3. Все процедуры должнывыполнятся хорошо обученным персоналом или под его руководством.
Если следовать этим рекомендациям, то ультразвук можноэффективно использовать в медицине с большой уверенностью в его безопасности.
План реферата
1. Введение
2. Прием и измерениеультразвука
3. Эхо-импульсивные методы визуализациии измерений
4. Области примененияэхо-импульсных методов
5. Применение ультразвука втерапии и хирургии
6. Оценка безопасности примененияультразвука в медицине
Использованная литература
1. Хилл К. – «Применение ультразвука в медицине»- 1989г.
2. Ремизов А.Н. – «Медицинскаяи биологическая физика» – 1987г
3. Крылов Н.П. и РокитянскийВ.И. – «Ультразвук и его применение» — 1958г