Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование кавитационных и тепловых механизмов биологического действия ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование кавитационных и тепловых механизмов биологического действия ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей"

2 3 НОН 1353

На правах рукописи

Пашовкин Тимофей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ И ТЕПЛОВЫХ МЕХАНИЗМОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ИНТЕНСИВНОСТЕЙ.

03.00.02 - Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Пущино - 1998

Работа выполнена в Институте биофизики клетки РАН.

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор

A.И. Филатов

доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук Р.Э. Гарибов

доктор физико-математических наук, профессор

B.А. Печатников

Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Защита состоится »1998 г. в " // " часов на заседании диссертационного совета Д 200.23.01 в Институте биофизики клетки РАН по адресу: 142292, Московская обл., г. Пущш: ИБК РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики клетки РАН.

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук

/ /

1. Общая характеристика работы.

1.1. Актуальность проблемы. История исследований биологических эффектов непрерывного ультразвука насчитывает несколько десятилетий. За это время были определены ряд механизмов биологического действия ультразвука: связанные с микроперемешиванием и ускорением диффузионных поцессов в клетках и тканях; тепловые, связанные с поглощением продольных ультразвуковых волн биологическими системами различного уровня эрганизации; кавитационные, связанные с генерацией свободных радикалов и дх влиянием на биохимические реакции, повреждением мембран клеток за счет :двиговых напряжений в клетках, находящихся вблизи коллапсирующих савитационных микропузырьков.

Эти исследования в определяющей степени стимулировались все юзрастающим применением ультразвука в физиотерапии и диагностике, что ребует исследований пределов безопасности при воздействии ультразвука, фименяемого в различных, в том числе и импульсных режимах с учетом ювейших, ранее не учитываемых данных.

Так, во всех работах, посвященных кавитацнонным механизмам ¡иологического действия ультразвука не учитывался заряд микропузырьков, не мотря на то, что в единичных работах он был теоретически предсказан (Flynn, 964., Degrois, 1974). Однако, экспериментального подтверждения эти расчеты о сих пор не получали. Поэтому анализ транспорта ионов под действием льтразвука через биологические мембраны при наличии кавитации был еполным, так как заряды микропузырьков могут изменять картину транспорта онов, в том числе и лекарственных препаратов в зависимости от их заряда.

Одним из важных механизмов биологического ультразвука, является епловой, так как повышение температуры, являющееся безопасным для дологических объектов, имеет достаточно узкие зоны значений. До настоящего эемени тепловые эффекты, особенно на уровне биологических тканей относили с поглощением продольных ультразвуковых волн (ter Haar, 1980,

1982). В единичных работах теоретически показано, что разогре обусловленные поглощением сдвиговых волн, появляющихся вследствие утло трансформации продольных волн на границах неоднородностей в биологичес тканях, особенно на границах с костной тканью, могут быть сравнимы величине с нагревом за счет поглощения продольных волн. Для мягких тканей вопросы не рассматривались, кроме теоретических работ (Сарвазян, 19 Барышникова, 1986, 1989). В связи с этим представляется актуальи исследование разогревов как в костных, так и в мягких тканях, обусловлен! поглощением сдвиговых волн, так как дополнительный разогрев тканей за с такого поглощения может выводить биологические системы за пред« безопасного температурного диапазона при применением терапевтической диагностической ультразвуковой аппаратуры. Тем самым, могут б] определены низшие энергетические пределы безопасного применения ультразв; в терапии и диагностике с учетом локальных интенсивностей ультразв} которые могут превышать средние в два-три раза. 1.2. Цель в задачи исследования.

Цель работы: исследование первичных механизмов биологического дейсп ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей при разви: кавитационых процессов и трансформациях продольных волн в биологичес] тканях и модельных системах. Основные задачи исследования:

1) Провести исследование кавитационных процессов в жидких контактных сре; вблизи поверхностей раздела жидких и твердых сред , в моделях биологичес] тканей.

2) Провести исследование зависимости процессов тепловыделения в физичеи моделях биологических тканей от их акустических и механических свойств и степени акустической и механической гетерогенности при поглощении ] продольных, так и сдвиговых волн.

3) Провести теоретическую оценку степени напряжений и смещений в биологических тканях под действием модулированного ультразвука.

4) Разработать методы быстрой качественной и количественной оценки распределения интенсивности в сечениях ультразвуковых пучков, генерируемых пъезоизлучателями различного типа.

Исследование процессов тепловыделения в биологических тканях невозможно проводить без исследования акустических и механических параметров биологических тканей, а также разработки и изготовления разъемных моделей биологических тканей с контролируемыми физическими параметрами. Поэтому в диссертации заметное место отведено этим исследованиям.

1.3. Научная новизна.

- Впервые экспериментально доказано, что кавнтационные пузырьки несут отрицательный заряд - это принципиально важно для исследований в сонохимии, понимания физических процессов, лежащих в основе метода визуализации ультразвуковых полей, и для практического использования в лекарственной ультразвуковой терапии;

Впервые получено, на основании регистрации кавитационных эффектов внутри моделей, с акустическими и механическими параметрами биологических тканей, прямое подтверждение развития в тканях кавитационных микропузырьков под действием ультразвука терапевтических интенсивностей.

Экспериментально показан новый эффект ультразвука - генерации фоноЭДС на бислойных липидных мембранах, величина которого сравнима с естественным мембранным потенциалом, а в ассимметричных условиях ионного состава по разные стороны мембран и значительно его превосходящий; предложен механизм генерации фоноЭДС.

Определены диапазоны значений скоростей продольных ультразвуковых волн: для отдельных важнейших органов животного; для ряда органов и

тканей животных одного вида, пола и возраста; для аналогичных тканей разш видов животных;

- Впервые определены диапазоны значений механических параметр!

большинства видов мягких биологических тканей: динамического модуля сдвш сдвиговой вязкости, скорости сдвиговых волн и коэффициента затухания;

- Впервые выявлены тепловые эффекты на границах между тканям идентичными по акустическим, но различающимися по механически (сдвиговым) свойствам;

- На основании исследований тепловых эффектов продемонстрирова возможность ультразвуковой визуализации неоднородностей в биологичесю тканях, не отличающихся по акустическим свойствам от окружающей ткани, Ч' открывает новые возможности для медицинской диагностики;

- Разработан и исследован простой способ визуализации ультразвуковь полей (качественный и количественный) и регистрации распределен] интенсивностей в ультразвуковых пучках, генерируемых пьезопреобразователял различного типа;

1.4. Практическое значение работы.

Разработан простой и дешевый метод визуализации ультразвуковь полей высокочастотных и зон кавитации низкочастотных излучателей, которь может быть доступен для широкого использования - контроля ультразвуков« аппаратуры и режимов воздействия (А.с. № 1206693). Результаты работы мог быть использованы в медицине для разработки новых методов ультразвуковс гипертермии и методов фонофореза лекарственных веществ.

Показана возможность разработки нового метода ультразвуковс визуализации и контрастирования неоднородностей в биологических тканях, 1 отличающихся по акустическим свойствам от окружающей ткани. Это важно дли ранней диагностики тканевых патологий и для физического контрастироваш малоконтрастных неоднородностей при ультразвуковой диагностике.

1.5. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Расширена физическая теория кавитации: экспериментально показан отрицательный заряд микропузырьков.

2. Расширены представления о роли кавитации в биологических эффектах ультразвука с учетом зарядов микропузырьков - влиянии на процессы ионного транспорта, получено прямое подтверждение возбуждения кавитационных микропузырьков в биологических тканях.

3. Выявлен и исследован новый эффект - генерация фоноЭДС на мембранах под действием ультразвука.

4. Создание нового направления в акустике мягких биологических тканей, элементами которого являются:

а) новый подход к рассмотрению механизмов тепловыделения в биологических тканях, основанный на том, что разогревы в биологических тканях при поглощении сдвиговых волн на границах тканей, вследствие трансформации продольных ультразвуковых волн в сдвиговые сравнимы с разогревами за счет поглощения продольных волн,

б) скорости тепловыделения определяются соотношением не только акустических, но и механических свойств биологических тканей.

в) измерены акустические и механические свойства биологических тканей, определены диапазоны их изменений практически для всех основных мягких тканей.

5. Экспресс-визуализация ультразвуковых полей терапевтических излучателей на основе нового метода определений средних интенсивностей и распределения локальных интенсивностей в ультразвуковых пучках.

1.6. Апробация работы.

Материалы диссертации были представлены на:

Всес. симпозиуме "Взаимодействие ультразвука с биологической средой", Пущино, 1979; III Всес. конф. "Ультразвук в физиологии и медицине", Ташкент,

1980; симп. UBIOMED Y, Пущино, 1981; I Всесоюзном биофизическом съезд« Москва, 1982; Всесоюзной конференции "Взаимодействие ультразвука биологичесой средой", Ереван, 1983; 3 Всес. конф. по проблемам биомеханию 1983; , X Всесоюзн. акустич. конф., 1983; Междунар. симп. UBIOMED Y1 Варшава, Польша, 1983; симп. "Акустическиесвойства биологических объектов' Пущино, 1984; межд. конф. Ultrasonics International 85, Лондон, Великобританш 1985; Всес. совещ. "Новые ультразвуковые методы и приборы для применения биологии и медицине", Великий Устюг, 1986; симп. "Ультразвук в биологии i медицине (UBIOMED-YII) Айзенах, ГДР, 1987; XIX Югославский симпозиум го биофизике и симп. "Медицинская биоакустика", Сараево, 1988; симп. UBIOMEI YIII, Брно, Чехословакия, 1989; межд. симпозиуме "Механизмы акустически: биоэффектов", Пущино, 1990.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 28 публикациях и 2 авторски; свидетельствах.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа включает в себя: введение, обзор литературы к главам описание материалов и методов, семи глав описания результатов и их обсуждения выводы и список цитируемой литературы, включающий 149 наименований Диссертация изложена на 140 страницах, содержит 2 таблицы и 80 рисунков.

Содержание глав диссертации.

Глава 1 посвящена обзору литературы и обоснованию задач. Обзор ограничен необходимым минимумом для формулировки основных задач диссертационной работы. Из обзора сделаны следующие выводы.

1. Как правило, все исследователи имеют дело с многопараметрическим фактором воздействия. С точки зрения физики можно перечислить возможные механизмы взаимодействий ультразвуковых волн с биологическими тканями. Наибольшую сложность вызывает экспериментальное подтверждение существования этих механизмов, так как не существует способов разделить их взаимное влияние.

2. Не существует экспериментального подтверждения знака зарядов кавитационных'микропузырьков.

3. Практически нет экспериментальных работ по тепловым эффектам, вызванным поглощением сдвиговых волн в мягких биологических тканях.

5. Отсутствуют простые и быстрые методы интегрального и локального контроля интенсивностей в ультразвуковых пучках.

Глава 2 посвящена метрологическому обеспечению исследований экологического действия ультразвука, включая разработки простых и быстрых методов качественного и количественного определения распределений интенсивностей в различных сечениях ультразвуковых пучков терапевтических ультразвуковых излучателей, определение величин локальных интенсивностей. эез этой крайне важной части работы невозможно корректно обсуждать эффекты ультразвука в биологических системах, так как несоблюдение здинаковых условий воздействия в сериях идентичных экспериментов, :ущественно разнесенных во времени может дать значительные разбросы в кспериментальных данных и усложнять их трактовку. В этой же главе

приведены основные методы и аппаратура для исследований, использованные ] работе как стандартные, так и модифицированные или разработанные автором или созданные при его участии.

Аппаратура для ультразвукового воздействия на биологические системы.

В исследованиях использовалась ультразвуковая аппаратура производства Московского завода электромедицинской аппаратуры "ЭМА" модифицированная нами для работ с различными режимами модуляции: приборь для ультразвуковой терапии типа УЗТ (УЗТ 1.02Ф, УЗТ 1.02 С, УЗТ 3.02 С, У31 3.02 Д, Ультразвук Т-5), работающие на частотах 0.88 и 2.64 МГц в диапазон! интенсивностей 0.05 -1.0 Вт/см2. Визуализация ультразвуковых полей.

Для определения параметров воздействующего ультразвука нами бьи разработан и применен для контроля ультразвуковых полей наиболее простой I быстрый в настоящее время метод визуализации распределений интенсивностей 1 ультразвуковых пучках, генерируемых пьезопреобразователями различного типа работающих на различных частотах.

а) Визуализация ультразвуковых полей с использованием красителей.

Визуализация ультразвуковых полей (распределения интенсивное™ ультразвука в ультразвуковом пучке) проводилась с использованием метода заключающегося в том, что в растворах различных красителей (метиленовогс синего, малахитового зеленого и др.) помещали индикаторную пластинку, I качестве которой использовалась бумага различных типов, в растворе возбуждался ультразвук и через несколько секунд в зависимости от интенсивность ультразвука на индикаторной пластине появлялось изображение распределен!« интенсивности, например, в ближней, начале дальней зоны излучателе? различного типа (плоских, фокусирующих, одного или нескольких излучателей) Пример регистрации распределения интенсивностейультразвука всравнении с серой шкалой оптических плотностей в сечении ультразвукового пучка показан на рис.1.

Рис. 1. Приведенные к серой шкапе значения оптических плотностей в зависимости от интенсивности ультразвука (пиковой) (от 0 до 3.27 Вт/см2) и распределение оптических плотностей в сечении ультразвукового пучка, при средней интенсивности ультразвука 1 Вт / см2. Пиковое значение в центре распределения соответствует 2.43 Вт / см2.

б) Метод определения пространственных распределений интенсивности ультразвуковых полей терапевтических интенсивностей с использованием микропузырьков.

Приведены результаты исследования пространственного распределения интенсивностей в сечениях ультразвуковых пучков с помощью регистрации распределения кавитирующих микропузырьков на черной регистрирующей поверхности (рис.2) и показана связь между визуальными картинами, полученными методами: с использованием красителей, визуализацией микропузырьков и термографическими (рис. 3).

В рамках этих новых методов показаны механизмы формирования изображений распределений интенсивностей в ультразвуковых пучках. Основным из них является кавитационный. В присутствии микропузырьков, распределяющихся по пространству в ультразвуковых пучках в соответствии с

их размерами можно наблюдать стягивание микропузырьков с размерами больш< резонансных в узлы давления, где они становятся отражателямиультразвуковых

Рис. 2. Картина распределения микропузырьков при интенсивности ультразвука (средней по пространству и времени - 1$ата) 0-6 Вт/см2.

Рис. 3. Распределение интенсивности в сечении пучка при средней интенсивности ультразвука 0.2 Вт/см2 и времени облучения - 1 мин, зарегистрированное методом ИК-термографии (А) и методом краска/бумага (Б).

волн. В этих зонах резко уменьшается поглощение волн, что видно по термографическим изображениям и уменьшается прокрашивание индикаторных пластин красителями.

и

Методы исследования процессов транспорта ионов через бислойные липидные мембраны под действием ультразвука основаны на измерении трансмембранных потенциалов и токов через бислойные липидные мембраны. Электрический ток через БЛМ и его изменения под действием ультразвукаизмеряли электрометром У5-7, позволяющим регистрировать токи до 10"13 А в режиме фиксации потенциала на мембране.

При исследовании тепловых эффектов ультразвука в биологических тканях и их моделях были использованы:

Методы измерения акустических свойств биологических тканей основанные на измерении скоростей и коэффициентов затухания продольных ультразвуковых волн методом интерферометра постоянной длины на аппаратуре типа РУЗИ, разработанной в ИБФ АН СССР, являющейся до настоящего времени наиболее точной и чувствительной аппаратурой в мире (Сарвазян, 1982).

Методы измерения механических свойств биологических тканей основаны на измерении сдвигового импеданса тканей. Измерения сдвигового импеданса тканей проводили с помощью прибора с датчиком крутильных колебаний типа СИМП (разработки ИБФ АН СССР) с резонансной частотой 50 кГц, калиброванного по ньютоновским жидкостям, у которых активная и реактивная составляющие импеданса равны.

На основе исследования акустических и механических параметров биологических тканей изготовлены физические разъемные модели биологических тканей с контролируемыми параметрами. Модели мягких биологических тканей, с соответствующими параметрами скорости и затухания продольных волн, скорости сдвиговых волн, плотностью и теплоемкостью готовились на основе агаровых гелей с добавками, обеспечивающими их адекватные свойства реальным биологическим тканям. Наиболее мягкие ткани моделировались с помощью желатиновых гелей ( и5 =0.1-25 м/с ). Более жесткие - агаровыми (и5 =1-40 м/с ) и агарозными (и5 = 1-100 м/с ) гелями.

Контроль параметров моделей и биологических тканей проводился с использованием одних и тех же методов, что гарантировало адекватность параметров моделей и биологических тканей.

Методы дифференциальной ИК-термографии. Для исследования процессо. тепловыделения в биологических тканях и их моделях был использова] дифференциальный метод визуализации тепловых полей с использованием ИК термовизионной системы АОА-ТЪеппоу13юп-780 с пространственны} разрешением 128 х 128 элементов по полю изображения. Точность измерени температур ограниченная шумом ИК-термовизионной системы не превышал; +0.1 "С. Метод и пакет программ для обработки ИК-изображений ] дифференциальном режиме был разработан в ИБК РАН Е.П.Хижняком. Методы дифференциальной УЗ-скопии. Для исследования возможностей регистрации изменений на границах тканей был применен мето; дифференциальной УЗ-скопии с использованием эхотомоскопа ЭТС-ДМУ-02 позволяющего отображать: секторные эхограммы ( режим "В"-сканирования) линейные эхограммы осевой линии сектора (режим "М"-сканирования) совмещение режимов "В" и "М", дисплейном, с записью изображений в ЭВМ I последующей дифференциальной обработкой с использованием разработашкн программы обработки таких изображений (Деев А.С.)

Теоретические расчеты смещений и напряжений в биологических тканях по; действием амплитудно модулированного ультразвука проведены с использованием специальной программы, созданной по алгоритму предложенному автором диссертационной работы.

Глава 3 посвящена вопросам кавитации в жидких средах, как одного из механизмов биологического действия ультразвука. С использованием специальных методов подсветки зафиксированы картины образования кавитационных пузырьков на поверхностях, пространственное распределение которых отражает распределение интенсив ностей в различных сечениях

ультразвуковых пучков. На рис. 2 приведен пример такого распределения. Спомощью разработанной методики электрофореза в ультразвуковом полепоказано, что кавитационные микропузырьки перераспределяются к положительно заряженному электроду и, таким образом, несут отрицательный заряд. Использование индикаторной пластинки из бумаги типа Astralux или мелованного ватмана с электродами показало, что метиленовый синий появляется на отрицательном электроде после после воздействия ультразвуком в течение 5 минут с наложением постоянного напряжения в 1 кВ. Прямой небесно голубой краситель (Sky direct blue) появляется на положительном притех же самых условиях. Показано, что зарядом микропузырьков определяется явление, согласно которому катионные и анионные красители дают "негативные" по отношению друг к другу изображения распределений интенсивностей ультразвука в сечениях ультразвуковых пучков (рис. 4).

Рис. 4. Пространственное распределение интенсивностей в сечении ультразвукового пучка, полученное в одинаковых условиях облучения с использованием красителей: А - метиленового синего, В - метилового фиолетового, С - прямого небесно синего.

Использование нейтральных красителей, например, эозина не приводило к образованию картин распределения интенсивностей. То же происходит и в случае, если регистрирующая поверхность сначала озвучивалась и после выключения ультразвука в воду добавлялся краситель при наличии пузырьков

на поверхности. Следовательно, эффект зависит от одновременного наличия как электрического поля, так и микротечений или струй, создаваемых микропузырьками при коллапсе. Рассмотрен механизм этого эффекта и его роль в ультразвуковой лекарственной терапии (фонофорезе). Теоретически показано, что если микротечения поддерживаются в присутствии избытка ионов, то они будут двигаться к поверхности индикаторной пластинки и если они окрашены, то на бумаге появится картина их распределений.

Использование метода краска/бумага для регистрации кавитационных микропузырьков, возбуждаемых ультразвуком в биологических тканях с использованием физических моделей, приготовленных с раствором метиленового синего и помещением внутрь модели индикаторных пластин показало появление микропузырьков внутри модели под действием ультразвука, зарегистрированное по прокрашиванию индикаторных пластин.

Таким образом, получено прямое экспериментальное подтверждение возникновения кавитации внутри тканей под действием ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей.

Глава 4 посвящена исследованию процессов мембранного транспорта под действием непрерывного и модулированного ультразвука.

Исследование процессов транспорта жирорастворимых ионов через бислойпые липидные мембраны под действием ультразвука. Процессы ионного транспорта через биологические мембраны определяют функционирование клеток всех биологических систем и вследствие этого могут являться "мишенями" для внешних факторов воздействия. В данном разделе приведены результаты исследований действия ультразваука на транспорт жирорастворимых анионов тетрафенилбората через модельные бислойные мембраны из фосфолипидов мозга. На рис. 5 приведены вольтамперные характеристики мембраны в указанных условиях: кривая (а) -без ультразвукового воздействия, кривая (б) - при наличии ультразвукового

облучения. Характерной особенностью ультразвуковой вольтамперной характеристики является то, что она не проходит через начало координат и нулю тока соответствует напряжение —10 мВ (отрицательный знак - со стороны расположения ультразвукового излучателя). Этот эффект - генерация тока мембраны под действием ультразвука при нулевом фиксированном потенциале был детально изучен. Величина тока, соответствующая нулевым потенциалам на мембране, растет с увеличением интенсивности ультразвука и концентрации проникающего аниона и характеристика смещается влево по оси потенциалов. Знак "фонотока" соответствует переносу анионов навстречу ультразвуковой волне. Нуль тока смещается по оси абсцисс на -10 мВ при максимальной использованной средней по пространству интенсивности ультразвука 1 Вт/см2. Исследования показали наличие двух механизмов влияния ультразвука на проницаемость мембран: увеличение тока и смещение нулевого потенциала. Анализ данных показал, что увеличение трансмембранного тока под действием ультразвука при нулевых значениях внешнего потенциала связано с влияниемультразвука на диффузию анионов ТФБ в примембранных слоях раствора за счет микротечений вблизи примембранного слоя и вокруг эсциллирующих микропузырьков.

3 » 10"" М ТФБ" 0.5 М КС1 рН 6.8 '«т* = °-бВт/смг Ток, 1 3 ■ 21- •10-" А - б

-80 -40 40 80 Напряжение, мВ

Рис. 5. Вольт-амперные характеристики БЛМ: а) без ультразвукового воздействия, б) под действием ультразвука, интенсивностью 0.6 Вт/см2. (15РТА). Концентрация ТФБ" - 3 х 10"6 М, КС1 - 0.5 М, рН 6.8

Другой эффект - появление тока при нулевом мембранном потенциале може быть объяснен в рамках модели переносчика, предложенной JIe-Бланко! дляописания транспорта протонов через липидные мембраны (Le Blanc О.H 1971) в предположении, что движущей силой является радиационное давлени ультразвука-Высказанное предположение о роли радиационного давления генерации эффекта подтверждается экспериментами с градиентам] гидростатического давления на БЛМ. Наблюдаемые величины токов мембрань; возникающих под действием ультразвука, радиационное давление котороп достигает 30 Па (с учетом пиковой попространству и средней по времен! интенсивности ультразвука) хорошо совпадают с величинами токов мембраны обусловленных гидростатическим давлением такой же величины, как и в случа радиационных давлений ультразвука (рис. 6).

Рис: 6. Зависимость изменения тока через мембрану под действием различных

Применение в качестве воздействующего фактора амплтудно-модулированноп ультразвука сопровождается появлением переменного радиационного давления Влияние этого переменного давления на систему мембрана-проникающий шм привело к появлению колебательных изменений проводимости мембран амплитуда которых зависела от частоты воздействия (рис.7).

6

-30 -15 О 15 30 Давление, Па

гидростатических давлений.

Рис. 7. Изменение проводимости мембран под действием ампгапудно модулированного ультразвука с частотой модуляции 0.25 Гц (А) и 0.5 Гц (Б). I уз= 0.6 Вт/см2. 3xlO"6M NaTOB, KCl - 0.5 М, pH 6.8

Глава 5 посвящена исследованию акустических и механических параметров биологических тканей.

5.1. Исследованию акустических параметров биологических тканей. Исследование взаимодействий ультразвуковых волн с биологическими тканями гребует знаний акустических характеристик, а именно, в первую очередь скорости распространения и коэффициентов поглощения продольных волн.

Исследования показали, что акустическая гетерогенность ткани в пределах одного органа одного животного для большинства органов не превышает 3-4 м/с. Вариабельность скоростей продольных волн в тканях животных одного вида, пола и возраста, измеренных в одинаковых условиях, достигает 2.5 % (40 м/с). Приведены гистограммы распределений скоростей в эсновных мягких биологических тканях земноводных и кролика. Пример гистограммы показан на рис.8.

Основной вклад в скорость ультразвука в биологических тканях определяется молекулярным составом. На рис. 9 представлена картина, показывающая измеренную скорость продольных волн в шшечной ткани (а) и

Мышца

О 1510

5 10 15 20 ES 30 35 40 45

M/l<:_Изменении« скорости, d U, м/с

2 ■■ 3

Рис. 8. Распределение скоростей продольных волн в мышцах Юетрогапа -1, 11.псШшпс1а -2, кролика -3. п - число образцов

вклады компонентов ткани в скорость распространения продольных волн I мышечной ткани, сделанные расчетным путем с использованием данных и; биологических таблиц (Ь) по вкладу в скорость сухого веса каждого компонент; ткани и расчитанная при сложении вкладов отдельных компонент скорость £ мышечной ткани. Видно хорошее совпадение расчетных и экспериментальны}" данных.

Рис. 9. Гистограмма вкладов компонент ткани в скорость ультразвука : а) экспериментальный результат, Ь) табличный расчет. 1 - экспериментальный результат, 2 - миозин, 3 - глобулярные белки, 4 - тропомиозин, 5 - актин, 6 - KCl, 7 - NaCl, 8 - коллаген, 9 - жир, 10 - углеводы, 11 - суммарный вклад компонент в увеличение скорости ультразвука.

5.2. Исследование механических параметров биологических тканей.

Вопросу распространения сдвиговых волн в биологических тканях до последнего времени были посвящены немногочисленные работы (Сарвазян, 1975., Асоян, 1980). Исследование распространения поперечных волн в тканях затруднено крайне высоким затуханием волн. Авторам работы (Frizzell, 1976) удалось лишь по порядку величины оценить значения модуля сдвига ( G=10 Н/м2 ), вязкости (г| = 0.04 - 0.3 пуаз) и скорости сдвиговых волн ( Us = 9-100 м/с ) мягких тканей. Мало известны даже по порядку величины скорости сдвиговых волн в различных тканях.

В результате наших исследований прказаны диапазоны изменений механических параметров различных тканей лабораторных животных (рис. 10). Видно, что для каждого отдельного вида ткани в зависимости от вида животного параметры (вязкость, модуль сдвига, скорость сдвиговых волн) могут меняться в несколько раз. Широкая вариабельность механических параметров для одной ткани разных животных одного вида может являться свидетельством высокой чувствительности этих параметров к структурным изменениям в ткани. Это подтверждается прямыми экспериментальными исследованиями. Например, в работе Маленкова (Маленков, 1983) была показана корреляция между скоростью сдвиговой волны и прочностью межклеточных контактов в ткани печени крыс. Таким образом, показано, что относительные изменения скоростей продольных волн в биологических тканях достигают 3%, в то время как механические параметры например, динамический модуль сдвига, может изменяется в мягких тканях в несколько раз, достигая для ряда тканей величины в несколько порядков даже для одного вида ткани.Эти данные позволили создать физические модели биологических тканей с акустическими и механическими параметрами, эквивалентными параметрам тканей и использовать их для термографических исследований процессов тепловыделения в тканях под действием ультразвука.

12 16 20 Скорость сдвиговых волн, м/с

О 2

Коэффициент затухания, <*

ПО

и

-1

Рис. 10. Диапазоны изменений динамической вязкости, динамического модуля сдвига, скорости и коэффициента затухания сдвиговых волн для различных тканей лабораторных животных: 1-печени, 2-мышц, 3-сердца, 4-селезенки, 5-кишечника, 6-почек, 7-мозга и 8-оболочек мозга

Глава 6 посвящена исследованию процессов тепловыделения в модельных системах с включениями биологических тканей под действием ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей.

В исследованиях биологических эффектов ультразвука ключевым является исследование вопросов взаимодействие волн с биологической тканью, трансформации волн в тканях и на границах между тканями, отличающихся по механическим свойствам. Пространственная структура тепловыделения в моделях с включениями неоднородностей зависит от соотношения акустических и механических параметров основной модели и неоднородностей. Кроме того, величины разогрева границ включений и самих включений зависят от угла падения продольных ультразвуковых волн. Возможность трансформации продольных волн в сдвиговые показана А.П.Сарвазяном. Им были сделаны теоретические оценки тепловыделения за счет поглощения сдвиговых волн. В данной главе приведены экспериментальные данные, демонстрирующие процессы трансформации продольных волн в сдвиговые, сделаны экспериментальные оценки тепловыделения за счет поглощения сдвиговых волн. Возможности возбуждения при взаимодействии ультразвуковой волны с биологическими объектами помимо продольных также и сдвиговых волн могут представлять для понимания механизмов биологического действия ультразвуковых волн большой интерес, поскольку в тканях с различными механическими параметрами и геометрическими размерами условия возбуждения и затухания сдвиговых волн будут различны. В тканях с наибольшей гетерогенностью и наличием большого количества границ возможно возбуждение и поглощение сдвиговых волн на всех этих границах. При определенных углах падения продольная волна может полностью преобразовываться в поперечную. Это может иметь важное биологическое значение, поскольку преобразование продольных волн в сдвиговые проходит без потерь энергии, но сдвиговая волна затухает на единицах длин волн и это может сопровождаться заметным выделением тепла.

Большой практический интерес представляют случаи, когда ткани одинаковы по акустическим характеристикам, но различаются по механическим. Термографические методы позволяют в этом случае наблюдать новый эффект - разогрев неоднородностей, различающихся по механическим свойствам.

Рис. 11. Пространственная структура тепловыделения в гомогенной гелевой модели с включением в центральную область неоднородности, отличающейся по механическим свойствам ( = 17 м/с , У52 = 22 м/с , где индекс 1 -относится к материалу модели, 2 - к материалу включения) при воздействии ультразвуком.

Частота ультразвука - 0.88 Мгц. Средняя по пространству и времени интенсивность - 1.0 Вт/см2 . а - исходное распределение температур, б - через 30 с после включения ультразвука.

Например, на рис. 11 показан разогрев под действием ультразвук неоднородности, отличающейся по скорости сдвиговых волн на 5 м/с. Величин разогрева достигает 3 °С. Прослеживается динамика разогрева: первоначальны: разогрев границ включений и затем, последующий разогрев всего включения. Н рис. 12 представлен трехмерная картина аналогичного разогрева под действие! ультразвука интенсивностью 1.5 Вт/см2.

Тя<1) . 20,0 .м/с

^<1) - ^(2) - 1525%Л Тв(2) - М-0 ^

^ « 15 сгк « ЗОсяс

Рис. 12. Трехмерная иллюстрация пространственной структуры разогрева в поле плоского излучателя с частотой 0.88 МГц в случае, когда механические свойства модели и включения различны.

На обобщающем графике (рис.13) показано, что скорость изменения температуры на границах включений растет при увеличении отношения :коростей сдвиговых волн.

Одновременное поглощение в неоднородности продольных и сдвиговых золн приводит к еще большему росту температуры как на границах зеоднородностей, так и внутри ее. Это показано на примере неоднородности, шитирующей костную ткань. Степень разогрева на модельной границе "кость-иягкая ткань-кость" зависит от угла падения ультразвукового пучка. Максимум эазогрева наблюдается на границе включения (рис. 14) под углом 60° по отношению к нормальному падению ультразвукового пучка. Такая картина эазогрева объясняется трансформацией продольных мод колебаний в сдвиговые в

Рис. 13. Зависимость скорости изменения температуры в материале гетерогенностей от соотношения скоростей сдвиговых волн в гетерогенностях и материалах модели, где индекс - 1- относится к материалам гетерогенностей, 2 - к материалам модели.

области контакта геля с цилиндром. Поскольку сдвиговые волны затухаю' значительно быстрее продольных волн, то при таких условиях будс формироваться нагрев непосредственно в области контакта геля < неоднородностью. Применяя лабильную методику ультразвукового воздействие (перемещая ультразвуковой излучатель), наиболее распространенную 1 ультразвуковой терапии, можно получить равномерный разогрев всех грани! включения с дальнейшим прогревом всего включения в целом. Для боле< корректной оценки процессов тепловыделения на неоднородностях был! проведены эксперименты с включением в модель фрагментов реальных костныэ тканей.

На рис. 15 приведен пример пространственной структуры тепловыделения в модели с реальной костной тканью пластинчатого типа, расположенной перпендикулярно направлению ультразвукового пучка ' на расстоянии 30 мм от излучателя.

Рис. 14. Пространственная структура тепловыделения в гетерогенной гелевой модели с включением в центральную область цилиндра диаметром 30 мм, расположенного на расстоянии 3.5 см от излучателя при воздействии ультразвуком, интенсивностью 1.0 Вт/см2 , I = 15 с. Частота - 2.64 Мгц.

Рис. 15. Пространственная структура тепловыделения в модели с реальной костной тканью пластинчатого типа, расположенной перпендикулярно направлению ультразвукового пучка на расстоянии 30 мм от излучателя.

Обнаруженные эффекты локальных перегревов в области границ сохраняются и для реальных костных тканей, а максимальное значение перегревов в области границ достигают 1 - 2 °С при диагностических интенсивностях (50 -100

мВт/см2) ультразвука и до десятка градусов при интенсивностях, достигающих 1-3 Вт/см2 (рис.16).

Сочетание разогревов за счет одновременного поглощения продольных и сдвиговых волн в тканях является дополнительным фактором риска при использовании ультразвуковых волн с интенсивностью, достигающей максимальных терапевтических значений во всем диапазоне используемых в терапии частот, при воздействии на различные области тела человека и особенно на области, включающие костные ткани.

1!}

Рис. 16. Трехмерная иллюстрация пространственной структуры разогрева в поле фокусирующего излучателя с частотой 0.88 МГц и интенсивностью, усредненной по площади фокальной области 3 Вт/см2 в модели с включением костной ткани.

Результаты исследования позволили сделать предположение о возможности визуализации с помощью ультразвуковой диагностической аппаратуры как в модельных системах, так и в нативных тканях гетерогенностей, визуализация которых до настоящего времени является проблематичной для стандартных приборов ультразвуковой диагностики. Дело в том, что на ранних стадиях развития различного типа опухолей их

густические свойства практически неотличаются от аналогичных свойств )рмальной ткани, но начинают различаться по механическим свойствам, следствие этого, ультразвуковая волна проходит через ткань как через >могенную среду и не отражается от границ неоднородностей, например, тухолей. Заметные изменения акустических свойств появляются на более эздних стадиях развития опухолей, когда процесс зашел уже слишком далеко.

Рассмотренный выше механизм тепловыделения позволяет выявить £фект углового контрастирования неоднородностей в тканях, найти метод энтрастирования неоднородностей и возможность их визуализации даже в 1учае совпадения акустических характеристик неоднородности и окружающей эеды. Примеры такой визуализации приведены на рис. 17.

Фиг. 1

Фиг. 2

Среда 1 Среда 2

Фантом

>'Дг > !

среда 2

и, = 1530 Ше и, = 1530 м/о а, - а, Ц,- 17 и/с и„- 22 Ые

Фиг. 3

ФИГ. 4

Фантом 2 СРеда2

Среда 1 • Среда 2 ' Среда 3

и, =1520 м/с и;=1520 м/с и3=1540 М/С

Рис.17. Эхотомограммы моделей с включением в центре гетерогенности, отличающейся по модулю сдвига от материала фантома. Фиг. 1 - визуализация стандартными способами, используемыми в ультразвуковой диагностике. Фиг. 2 - визуализализация с использованием метода контрастирования, основанного на результатах работы, показанных выше.

Эксперименты , проведенные с использованием диагностического аппара высшего класса - Acusón, возможности визуализации неоднородностей в ткан; которого на порядки выше стандартной аппаратуры для ультразвуков« диагностики, показали возможность контрастирования неоднородностей моделях и тканях и улучшение качества изображения.

Глава 7. Исследование процессов распространения модулированных ультразвуковых волн в биологических тканях. Теоретические расчеты.

Понимание того, каким образом происходит первичное взаимодейств! ультразвуковых волн, какова причина начальной цепи событий, приводящих биологическим эффектам, связанным с трансформацией продольных волн биологических тканях, могут дать теоретические расчеты смещений и напряжет в тканях, смещений на границах неоднородностей. Наиболее актуальны эт расчеты для модулированных ультразвуковых волн, когда в тканях воздействуй переменное радиационное давление, достигающее для терапевтическог диапазона интенсивносте величины 100 Па в отличие от непрерывно! ультразвука, когда действует постоянное радиационное давление. Результат расчетов смещений на границах тканей приведены на рис. 18. Из рис. видн< насколько сильно могут трансформироваться смещения на граница неоднородностей в тканях при различных типах модуляции. Величины смещени на границах достигают величины 3*10"4 мм при переменном радиационно: давлении 10 Па. Аналогичные расчеты можно сделать для комбинаций всех типо биологических тканей и различных типов модуляционных режимов. Таки образом, клетки размером 5*10"3 см на границах разделов могут менят периодически размеры при указанных выше условиях на 3*10"5 см, в то время ка при непрерывном воздействии ультразвуком с интенсивностью 1 Вт/см2 несущей частотой 0.88 МГц амплитуда смещений составляет 2*10"6 cv Полученные величины смещений для модулированного ультразвука почти на

рядок превышают пороговые смещения, вызывающие появление импульсной оэлектрической активности механорецепторов (Гаврилов и др., 1976).

>ис. 18. Колебательные смещения на границах неоднородностях в тканях под 1ействием амплитудно модулированного ультразвука с частотой модуляции 10 Гц, 10 импульсов (а), 50 Гц, 10 импульсов, сдвиг фазы каждого последующего импульса 0.005 сек. (б). Величина давления в положительной фазе -10 Па, в отрицательной 5 Па. Рассмотрены случаи кость-мягкая ткань-кость. Толщина модели 16 мм.

сповные результаты.

> исследований кавитационных механизмов биологического действия ьтразвука:

Экспериментально показан заряд кавитационных микропузырьков. Это дает зможность анализа транспорта ионов через мембраны при наличии витации.

Экспериментально показано возникновение кавитационных микропузырьков [утри модельных систем с параметрами мягких биологических тканей, что .ет прямое подтверждение этого эффекта в биологических тканях. ? исследований механизмов действия ультразвука на бислойные мембраны:

Показан эффект генерации соноЭДС на бислойных мембранах в мметричных по ионному составу условиях по обе стороны мембраны под

действием ультразвука, достигающий 10 мВ при максимальной интенсивности Вт/см2. Предложены механизмы , лежащие в основе этого эффекта. Из исследований акустических и механических параметров биологическ тканей:

4. Определены диапазоны изменений скоростей продольных воли в практичес; всех основных мягких тканях лабораторных животных.

5. Измерены механические параметры основных мягких биологических тка» (динамической вязкости, динамического модуля сдвига и связанных с ю скоростей и коэффициентов затухания сдвиговых волн), определены диапазон их изменений.

6. Разработаны принципы изготовления разъемных моделей биологических ткаю с контролируемыми акустическими и механическими параметрами.

Из исследований процессов тепловыделения в биологических тканях т действием ультразвука:

7. Показано, что разогревы на границах неоднородностей в биологическ! тканях за счет поглощения сдвиговых волн при трансформации их из продольны ранее экспериментально не исследованные, сравнимы с разогревом за сч> поглощения продольных волн. Ранее изменения температур в тканз расчитывали и регистрировали исходя из поглощения только продольных вол Полученные данные позволяют не только уточнить, но и пересмотреть границ применимости ультразвука в физиотерапии.

8. Показано, что механические параметры биологических тканей игран существенную роль в процессах нагрева границ неоднородностей в тканях пс действием ультразвука. Это дает возможность визуализировать неоднородности биологических тканях с помощью аппаратуры для ультразвуковой диагностики : счет появления на границах отличий в скорости продольных волн вследств! зависимости скорости от температуры. Полученные результаты создают осно! для разработки нового метода ранней диагностики новообразований в тканях с

гетом эффекта ультразвукового контрастирования акустически идентичных ;аней.

з метрологических исследований:

Создан простой и быстрый метод визуализации ультразвуковых полей в идких прозрачных и непрозрачных средах, позволяющий проводить оценку эедних и локальных интенсивностей в различных сечениях ультразвуковых ^чков излучателей различных конфигураций и большого частотного диапазона.

(ыводы.

, Расширена физическая теория кавитации: экспериментально определен грицательный заряд микропузырьков. Этот результат на сегодняшний день зляются первым экспериментальным подтверждением электрической гипотезы энолюминесценции.

Расширены представления о роли кавитации в биологических эффектах пьтразвука с учетом зарядов микропузырьков: влиянии на процессы ионного эанспорта, получено прямое подтверждение образования кавитационных икропузырьков в биологических тканях. Это позволяет уточнить границы рименимости ультразвука в ультразвуковой терапии.

Впервые обнаружен новый эффект - генерация соноЭДС на мембранах од действием ультразвука.

Разработано новое направление в акустике мягких биологических тканей, цементами которого являются:

) новый подход к рассмотрению механизмов тепловыделения в биологических канях, основанный на том, что разогревы в биологических тканях при оглощении сдвиговых волн на границах тканей, вследствие трансформации родольных ультразвуковых волн в сдвиговые могут достигать величин азогревов, сравнимых по величине разогревам за счет поглощения продольных олн,

) скорости тепловыделения определяются соотношением не только

акустических, но и механических свойств биологических тканей, в) измерены не только акустические, но и механические свойства биологическ тканей, определены диапазоны их изменений практически для всех основш мягких тканей.

Рассмотренные эффекты могут иметь фундаментальное значение д волновой физики и динамической теории упругости.

Разработанное направление позволяет усовершенствовать метох ультразвуковой диагностики на основе физического контрастировал] неоднородностей в биологических тканях, уменьшить вероятность появлеш побочных эффектов, связанных с тепловыделением в биологических тканях. 6. Создан наиболее простой и быстрый, качественный и количественный мете визуализации ультразвуковых полей в жидких прозрачных и непрозрачнь средах, позволяющий проводить оценку средних и локальных интенсивностей различных .сечениях ультразвуковых пучков излучателей различнь: конфигураций и большого частотного диапазона.

Метод может иметь прикладное значение как в физиотерапии, так и пр создании новых типов ультразвуковых излучателей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Пашовкнн Т.Н., Лырчиков А.Г., Шильников Г.В. Скорость ультразвука

тканях земноводных. - В кн.: Взаимодействие ультразвука с биологическо средой. Тез. докл. Всес. конф. Ереван, 1983, с.68.

2. Asoyan К.V., Voronkov V.N., Pashovkin T.N., Fedorova V.N.

Propagation velocities of acoustic surface waves in resinous and gel formin; model media representing biological tissues. In: Abstracts of XIX Yugosla symposium on biophysics and satellite symposium "Medical bioacoustics'' Saraevo-Igman, 1988, p.165.

3. Voronkov V.N., Pashovkin T.N. Anisotropic models of soft biological tissues.

In: Abstracts of International symposium UBIOMED-8, Brno, 1989, p. 12.

4. Шорохов B.B., Воронков B.H., Клишко A.H., Пашовкин Т.Н. Распространение поверхностных сдвиговых возмущений продольной поляризации в моделях мягких биологических тканей. Механика композитных материалов, 1992, №5, с.с. 669-677.

Пашовкпн Т.Н., Шильников Г.В., Сарвазян А.П. Способ визуализации

ультразвукового поля. А.с. № 1206693 . Б.и.№3, 23.01.86 г.

Пашовкин Т.Н., Сарвазян А.П., Векслер А.М., Федорова В.Н., Богатырева И.И., Теплов В.В. Способ определения типа кожи. А.с.№1604353. Б.й. №41, 7.11.90 г.

Pashovkin T.N., Khizhnyak Е.Р., Sarvazyan А.Р.: Thermographic Investigation of Ultrasonically Induced Temperature Distribution in Tissues and Tissue-equivalent Phantoms. Archives of Acoustics. V.9, № 1-2,1984, pp. 15-21.

Pashovkin T.N., Khizhnyak E.P., Sarvazyan A.P. Thermal Ultrasonic Effects in the Heterogeneous Tissue-equivalent Phantoms as a Function of their Properties. Ultraschall in Biologie und Medizin (UBIOMED-YII, Halle/Saale), Vortrage, 1987, pp. 119-122.

Watmough D.J., Shiran M.B., Quan K.M., Sarvazyan A.P., Khizhnyak E.P., Pashovkin T.N.: Evidence that Ultrasonically-induced Microbubbles Carry a Negative Electrical Charge. Ultrasonics, V. 30, № 5, pp. 325-331, 1993.

. Watmough DJ., Lakshmi R., Ghezzi F., Quan K.M.,Watmough J.A., Khizhnyak E.P., Pashovkin T.N., Sarvazyan A.P.: The effect of Gas Bubbles on the production of Ultrasound Hyperthermia at 0.75 Mhz: a Phantom Study. Ultrasound in Med. & Biol., V. 19, № 3, pp. 231-241, 1993.

. Khizhnyak E.P., Pasovkin T.N., Watmough D.J. : Investigation of Field Distribution and Absorption by IR-Thermovision, Lightscattering and Phonophoresis Methods. Proc. of the Intemat. Symposium on the "Mechanisms of Acoustical Bioeffects", Pushchino, May 14-18, 1990.

Voronkov V.N. Khizhnyak E.P., Pashovkin T.N., Emelyanov S.Yu.: Investigation of Human Skin by Surface Acoustical Waves. Proc. of the Internat. Symposium on the "Mechanisms of Acoustical Bioeffects", Pushchino, May 14-18,1990.

. Сейланов A.C., Пашовкин Т.Н. : Температурные зависимости скорости ультразвука в тканях животных. Тез. докл. III Всес. конф. "Ультразвук в физиологии и медицине", Ташкент, с. 217,1980.

Пашовкин Т.Н., Хижняк Е.П., Сарвазян А.П.: Термографические исследования тепловыделения в биологических тканях и их моделях в поле интенсивного ультразвука. Докл. X Всесоюзн. акустич. конф., секция "О", с. 12-15, 1983.

. Пашовкин Т.Н., Пономарев В.П.-: Механические характеристики кожного покрова человека. Тез. докл. 3 Всес. конф. по проблемам биомеханики, Т 1, с.с. 111-112,1983.

. Пашовкин Т.Н., Лырчиков А.Г., Шильников Г.В. : Скорость ультразвука в тканях земноводных. Тез. докл. Всес. конф. "Взаимодействие ультразвука с биологической средой", Ереван, с. 68,1983.

, Пашовкин Т.Н., Айрапетян Г.А. : Моделирование мягких биологических тканей по акустическим параметрам. Тез. докл. симп. "Акустические свойства биологических объектов", Пущино, с. 49,1984.

18. Пашовкин Т.Н., Айрапетян Г.А., Пономарев В.П. : Вариабельное

акустических параметров мягких биологических тканей. Тез. докл. сим "Акустические свойства биологических объектов", Пущино, с. 56-57, 198

19. Пашовкин Т.Н., Шильников Г.В., Сарвазян А.П. : Использование скорое

сдвиговых волн в биологических тканях в качестве информативно параметра при изменении их структуры. Тез. докл. симп. "Ахустическ свойства биологических объектов", Пущино, с. 104-105,1984.

20. Pashovkin T.N., Sarvazyan А.Р., Shilnikov G.V. : New method for visualizati

of ultrasonic fields. Vortrage, Jahrestagung, Berlin, pp. 89-91,1985.

21. Pashovkin T.N., Airapetyan G.A. : Velocities of longitudinal and shear waves

tissues of laboratory animals. Vortrage, Jahrestagung, Berlin, pp. 96-99, 1985,

22. Pashovkin T.N., Sarvazyan A.P., Shilnikov G.V.: An extremely simple and rap

method for registration of ultrasonic field patterns. In Ultrasonics Internatior 85, Conf. procttdings, London, UK, pp. 324-328,2-4 July 1985.

23. Пашовкин Т.Н., Шильников Г.В., Сарвазян А.П. : Качественный

количественный анализ распределения ультразвуковой энергии плоских фокусирующих излучателей в терапевтическом диапазоне интенсивносте Тез. Всес. совещ. "Новые ультразвуковые методы и приборы д применения в биологии и медицине", Великий Устюг, с.60, 1986.

24. Pashovkin T.N., Sarvazyan А.Р., Asoyan K.V. : Shear ultrasonic properties

soft biological tissues. J. of Ultrasound in Medicine, V.7, № (Supplement), p.p. S131-S132,1988.

25. Pashovkin T.N., Lyrchikov A.G. : Dependence of acoustical properties of tissu

on their structure. Proceed, suppl. Ed. by V.Momstein UBIOMED YIII, Bra p.3, 30.8-2.9, 1989.

26. Пашовкин Т.Н., Хайн Г.-И., Григорьев П.А., Сарвазян А.П. "Действ!

ультразвука на проницаемость бислойных фосфолипидных мембран". Те докл. симп. UBIOMED Y, Пущино, 71-72, 1981. 27. Pashovkin Т.Р Grigoriev Р.А., Sarvazyan А.Р., Hein H.-I. "Action of ultrasonic and microwa radiation on transport processes in bilayer lipid membranes". British Journal Cancer. V 45, N Y, 225, 1982.

28. Пашовкин Т.Н., Григорьев П.А. "Изменение проницаемости бислойнь

липидных мембран под действием ультразвука". Тез. докл. I ВБФС, 31 1982.

29. Pashovkin T.N., Grigoriev Р.А., Sarvazyan А.Р. "Generation of electric curre across bilayer membranes under the action of ultrasound". Jahrestagung, Berli Vortrage, 110-113, 1985.

30. Пашовкин Т.Н., Сарвазян А.П. "Механические характеристики мягких

биологических тканей". В кн. "Методы вибрационной диагностики реологических характеристик мягких материалов и биологических тканей". Горький. 105-115,1989.

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Пашовкин, Тимофей Николаевич, Пущино

У

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ КЛЕТКИ

МИв^- наук;:

Началь Пашовкин Г и м охЬ е й Ник» л ае в и ч

ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ И ТЕПЛОВЫХ МЕХАНИЗМОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ИНТЕНСИВНОСТЕЙ.

03.00.02 - Биофизика

Диссертация

на соискание ученой степени доктора биологических наук

Пущино- 1998

На правах рукописи

Л'

Оглавление

Введение........................................................................................................................ 4

Глава 1. Обзор литературы.................................................................................................... 13

1.1. Физические факторы в механизмах биологического действия ультразвука............... 13

1.2. О метрологии в исследованиях механизмов биологического действия ультразвука

и в ультразвуковой терапии..................................................................................................... 15

1.3. Пороги и первичные мишени ультразвукового воздействия на биологические системы...................................................................................................................................... 18

1.4. Кавитационные процессы в жидких контактных средах и биологических тканях.... 21

1.5. Действие ультразвука малой интенсивности на транспорт ионов через плоские бислойные липидные мембраны........................................................................................... 27

1.6. Акустическиепараметры мягких тканей лабораторных животных.......................... 28

1.7. Механические (сдвиговые) параметры мягких тканей лабораторных

животных................................................................................................................................ 31

1.8. Тепловыделение в тканях под действием ультразвука терапевтического

диапазона интенсивностей.................................................................................................... 33

Глава 2. Материалы и методы исследований......................................................... 35

2.1. Аппаратура для исследования ультразвуковых воздействий.................................. 35

2.2. Визуализация ультразвуковых полей......................................................................... 36

2.3. Методы исследования процессов транспорта ионов через бислойные

липидные мембраны под действием ультразвука....................................................... 58

2.4. Методы измерения акустических свойств биологических тканей...................... 61

2.5. Методы измерения механических свойств биологических тканей...................... 63

2.6. Физическое моделирование биологических тканей.............................................. 66

2.7. Методы дифференциальной ИК-термографии...................................................... 70

2.8. Методы дифференциальной УЗ-скопии................................................................ 71

Глава 3. Исследование кавитационных процессов в жидких контактных средах и моделях биологических тканей......................................................................................... 73

3.1. Исследование кавитационных процессов в жидких контактных средах............... 73

3.2. Регистрация кавитационных микропузырьков с использованием желатиновых моделей биологических тканей............................................................................................. 84

Глава 4. Исследование процессов транспорта ионов через бислойные липидные

мембраны под действием ультразвука................................................................................. 86

Глава 5. Исследование акустических и механических параметров биологических

тканей................................................................................................................... 97

5.1. Исследование акустических параметров мягких тканей лабораторных

животных........................................................................................................................ 97

5.2. Механические (сдвиговые) параметры мягких биологических тканей

лабораторных животных..................................................................................................... 104

Глава 6. Исследование процессов тепловыделения в тканях под действием

ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей............................................... 108

Глава 7. Исследование процессов распространения модулированных

ультразвуковых волн в биологических тканях. Теоретические расчеты.......................... 121

Заключение..................................................................................................................123

Выводы........................................................................................................................ 12?

Список использованной литературы......................................................................... 12 §

Список публикаций..................................................................................................... 142.

Введение.

1.1. Актуальность проблемы. История исследований биологических эффектов непрерывного ультразвука насчитывает несколько десятилетий. За это время были определены ряд механизмов биологического действия ультразвука: связанные с микроперемешиванием и ускорением диффузионных поцессов в клетках и тканях; тепловые, связанные с поглощением продольных ультразвуковых волн биологическими системами различного уровня организации; кавитационные, связанные с генерацией свободных радикалов и их влиянием на биохимические реакции, связанные с повреждением мембран клеток за счет сдвиговых напряжений в клетках, находящихся вблизи коллапсирующих или осциллирующих кавитационных микропузырьков. Исследования ультразвуковых эффектов проводятся широко во всем мире. Результаты этих исследований опубликованы в ведущих журналах мира, в обзорах и книгах. Тем не менее, в выводах к главе, посвященной биофизике ультразвуковых эффектов наиболее сильной обзорной книги ведущих специалистов в области использования ультразвука в биологии и медицине под редакцией К.Хилла (Хилл, 1989) прямо признается, что "Внимательный читатель, наверное, заметил отсутствие количественной информации в этой главе. Причина проста - ее нет."

Исследования биологических эффектов ультразвука в определяющей степени стимулировались все возрастающим применением ультразвука в физиотерапии и диагностике, что требует определения пределов безопасности при воздействии ультразвука, применяемого в различных, в том числе и импульсных режимах с учетом новейших, ранее не рассматриваемых данных.

Наиболее биологически активными являются два механизма биологического действия ультразвука: кавитационный и тепловой. При кавитации в жидкой среде может образовываться значительное количество свободных радикалов Н' , ОН ' и других; развиваются сильные гидродинамические микротечения ; могут развиваться сильные сдвиговые напряжения в мембранах клеток вблизи осциллирующих микропузырьков; наблюдается сонолюминесценция с максимумом в жесткой ультрафиолетовой области. Существует три группы

гипотез, при помощи которых пытаются объяснять природу сонолюминесценции: механо-термические, электрические и структурные. Тем не менее, единой теории ультразвукового свечения нет. Процессы стабилизации микропузырьков и сонолюминесценция предполагают наличие заряда на поверхности микропузырьков. В единичных работах он был теоретически предсказан (Flynn, 1964., Degrois, 1974). Однако, экспериментального подтверждения наличия заряда и его знака до сих пор не было показано. Поэтому во всех работах, посвященных кавитационным механизмам биологического действия ультразвука не учитывался заряд микропузырьков. Так, например, анализ транспорта ионов под действием ультразвука через биологические мембраны при наличии кавитации был неполным, так как заряды микропузырьков могут изменять картину транспорта ионов, в том числе и лекарственных препаратов, в зависимости от их заряда.

Одним из важных механизмов биологического ультразвука, является тепловой, так как повышение температуры, являющееся безопасным для биологических объектов, имеет достаточно узкие зоны значений. До настоящего времени тепловые эффекты, особенно на уровне биологических тканей, соотносили с поглощением продольных ультразвуковых волн (ter Haar, 1980, 1982).

Наиболее важными для анализа биоэффектов и практического применения являются вопросы, связанные с первичными механизмами взаимодействия ультразвуковых волн с биологическими системами, и в первую очередь - с биологическими тканями.

Возбуждение сдвиговых волн при взаимодействии продольной ультразвуковой волны с биологическими объектами представляет для понимания механизмов биологического действия ультразвуковых волн большой интерес, поскольку в тканях с различными механическими параметрами и геометрическими размерами условия возбуждения и затухания сдвиговых волн будут различны. В наиболее гетерогенных тканях с наличием большого количества границ возможно возбуждение и поглощение сдвиговых волн на всех этих границах. При определенных углах падения продольная волна может полностью преобразовываться в сдвиговую. Это может иметь важное биологическое значение,

поскольку преобразование продольных волн в сдвиговые проходит без потерь энергии, но сдвиговая волна затухает на очень коротких расстояниях (единицах длин волн) и это может сопровождаться заметным выделением тепла. Избыточное тепловыделение на границах тканей с разными акустическими и механическими свойствами может привести к развитию патологических процессов, воспалительных реакций.

В единичных работах теоретически показано, что разогревы, обусловленные поглощением сдвиговых волн, появляющихся вследствие угловой трансформации продольных волн на границах неоднородностей в биологических тканях, особенно на границах с костной тканью, могут быть сравнимы по величине с нагревом за счет поглощения продольных волн. Для мягких тканей эти вопросы не рассматривались, кроме теоретических работ (Сарвазян, 1982., Барышникова, 1986, 1989). В связи с этим представляется актуальным исследование разогревов как в костных, так и в мягких тканях, обусловленных поглощением сдвиговых волн, так как дополнительный разогрев тканей за счет такого поглощения может выводить биологические системы за пределы безопасного температурного диапазона при применении терапевтической и диагностической ультразвуковой аппаратуры. Тем самым, могут быть определены низшие энергетические пределы безопасного применения ультразвука в терапии и диагностике с учетом локальных интенсивностей ультразвука, которые могут превышать средние в два-три раза.

Ультразвуковые волны могут по разному распространяться и трансформироваться в биологических системах (тканях, органах) в зависимости от их волновых параметров и, соответственно, вызывать различные по амплитуде и знаку биологические эффекты. Поэтому необходимо проводить исследование этих параметров и эффектов взаимодействия ультразвуковых волн с тканями в зависимости от их акустических, механических свойств и угловых соотношений векторов падения волн и границ этих тканей.

Следует отметить сложность изучения процессов тепловыделения под действием ультразвука в тканях, имеющих гетерогенную структуру. Поэтому, весьма важным является использование модельных систем с контролируемыми

акустическими и механическими параметрами.

Биологическое действие ультразвука зависит от целого ряда факторов, которые можно разделить на две категории: а) связанные с воздействующим агентом - ультразвуком и б) связанные со свойствами объектов воздействия.

Одной из важнейших характеристик воздействующего ультразвука является интенсивность, которая определяет природу первичных физических процессов (механических, тепловых, кавитационных) в биологических объектах, находящихся в ультразвуковом пучке. Преобладание какого-либо из перечисленных процессов будет определять первичный физический механизм биологического действия ультразвука.

Вследствие пространственной неоднородности ультразвуковых полей локальные интенсивности для плоских излучателей могут превышать средние в несколько раз. Для терапии это является существенным фактом и при выборе параметров ультразвукового воздействия на конкретный объект необходимо учитывать отношение пиковых интенсивностей к средним, пространственное распределение интенсивностей в различных сечениях ультразвукового пучка. Поэтому метрологическое обеспечение воздействующего ультразвука имеет важное значение. Как правило, большинство исследователей не имеют простых и быстрых методов постоянного контроля ультразвуковых полей, тем более, для широко применяемых в медицине ультразвуковых аппаратов. Кроме того, следует отметить, что задача визуализации тонкой структуры распределений интенсивностей в ультразвуковых пучках до настоящего дня не решена ни в одной акустической лаборатории мира. Имеющиеся методы и аппаратура сложны, трудоемки и дают приближенные, малонаглядные результаты. Поэтому, разработканаиболее простых и быстрых методов визуализации ультразвуковых полей является необходимым условием постоянного контроля за состояниием ультразвуковой аппаратуры и оперативного устранения неисправностей, разработки новых типов ультразвуковых излучателей для терапии, для выбора наиболее оптимальных режимов ультразвукового воздействия, связанных с пространственным распределением интенсивностей.

Цель и основные задачи исследования.

Цель работы: исследование первичных механизмов биологического действия ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей при развитии кавитационых процессов и трансформациях продольных волн в биологических тканях и модельных системах.

Основные задачи исследования:

1) Провести исследование кавитационных процессов в жидких контактных средах вблизи поверхностей раздела жидких и твердых сред , в моделях биологических тканей.

2) Провести исследование зависимости процессов тепловыделения в физических моделях биологических тканей от их акустических и механических свойств и от степени акустической и механической гетерогенности при поглощении как продольных, так и сдвиговых волн.

3) Провести теоретическую оценку величин смещений в биологических тканях под действием модулированного ультразвука.

4) Разработать методы быстрой качественной и количественной оценки распределения интенсивности в сечениях ультразвуковых пучков, генерируемых пъезоизлучателями различного типа.

Исследование процессов тепловыделения в биологических тканях невозможно проводить без исследования акустических и механических параметров биологических тканей, а также разработки и изготовления разъемных моделей биологических тканей с контролируемыми физическими параметрами. Поэтому в диссертации заметное место отведено этим исследованиям.

5) Исследование акустических параметров биологических тканей, их зависимостей от состава, температуры; определение диапазонов значений этих параметров для разных органов и тканей лабораторных животных;

6) Исследование механических параметров (динамического модуля сдвига, динамической вязкости) мягких биологических тканей, определение диапазонов их

значений для различных тканей лабораторных животных;

7) Исследования зависимостей акустических и механических свойств от состава сред, используемых для физического моделирования мягких биологических тканей.

8) Создание разъемных физических моделей мягких биологических тканей с контролируемыми параметрами как гомогенных, так и гетерогенных с включениями реальных костных и мягких тканей, используемых для термографических исследований.;

1.3. Научная новизна.

- Впервые экспериментально доказано, что кавитационные пузырьки несут отрицательный заряд - это принципиально важно для исследований в сонохимии, понимания физических процессов, лежащих в основе метода визуализации ультразвуковых полей, и для практического использования в лекарственной ультразвуковой терапии; на сегодняшний день этот результат является единственным экспериментальным подтверждением электрической гипотезы сонолюминесценции.

- Получено, на основании регистрации кавитационных эффектов внутри моделей с акустическими и механическими параметрами биологических тканей, прямое подтверждение развития в тканях кавитационных микропузырьков под действием ультразвука терапевтических интенсивностей.

- Экспериментально показан новый эффект ультразвука - генерации фоноЭДС

на бислойных липидных мембранах, величина которого сравнима с естественным мембранным потенциалом, а в ассимметричных условиях ионного состава по разные стороны мембран и значительно его превосходящий; предложен механизм генерации фоноЭДС.

- Определены диапазоны значений скоростей продольных ультразвуковых волн: для отдельных важнейших органов животного; для ряда органов и тканей животных одного вида, пола и возраста; для аналогичных тканей разных видов животных;

- Впервые определены величины и диапазоны значений сдвиговых механических параметров большинства видов мягких биологических тканей: динамического модуля сдвига, сдвиговой вязкости, скорости и коэффициента затухания сдвиговых волн;

- Впервые выявлены тепловые эффекты на границах между тканями, идентичными по акустическим, но различающимися по механическим (сдвиговым) свойствам;

- На основании исследований тепловых эффектов продемонстрирована возможность ультразвуковой визуализации неоднородностей в биологичес