Ультразвуковое випромінювання і медицина

Ультразвуковое випромінювання і медицина

Давно відомо, що ультразвукове випромінювання можна зробити узконаправленным. Французький фізик Поль Ланжевен вперше зауважив повреждающее дію ультразвукового випромінювання на живі організми. Результати його спостережень, і навіть дані про те, що ультразвукові хвилі можуть проникати крізь м’які тканини людського організму, призвели до того, що початку 1930;х рр. виник великий інтерес до проблемі застосування ультразвуку для терапії різноманітних захворювань. Цей інтерес не слабшав й надалі, причому розвиток медичних додатків йшло по найрізноманітнішим напрямам; особливо широко ультразвук почали застосовувати в фізіотерапії. Проте, лише порівняно нещодавно став поступово намічатися істинно науковий підхід до аналізу явищ, які виникають за взаємодії ультразвукового випромінювання з средой.

С застосуванням ультразвуку до медицини пов’язано різних аспектів. Проте, у своїй фізика явища повинна мати такі процеси: поширення ультразвуку в «біологічної середовищі», а саме тіло людини, взаємодія ультразвуку з компонентами цього середовища й вимірювання і реєстрація акустичного випромінювання, як падаючого на об'єкт, і виникає внаслідок взаємодії з ними.

Проблема інтерпретації взаємодії акустичного випромінювання з середовищем істотно спрощується, якщо останню розглядати не як тверде тіло, бо як рідина. У такій середовищі немає сдвиговых хвиль, тому теорія поширення хвиль простіше, ніж для твердого тіла. У діапазоні ультразвукових частот, що застосовуються у медичної акустиці, це припущення справедливо майже всіх тканин тіла, хоча є і виключення, наприклад кістку. Те, що взаємодія ультразвуку з тканиною можна змоделювати його взаємодією з рідинами, — важливий чинник, підвищуючий практичну цінність медичної ультразвукової диагностики.

Прием і вимір ультразвука

В медичних чи біологічних додатках потреба у прийомі і вимірі ультразвуку виникає у трьох великих областях. Це отримання діагностичної інформації від пацієнта, вимір акустичних полів, якими можуть опромінюватися живі клітини і тканини, зокрема і тканини пациентов.

Ультразвук по визначенню не сприймається непосредствен-но органами чуття людини, і тож необхідно використовувати якийсь фізичний ефект чи последовате-льность таких ефектів, щоб дію ультразвуку могло проявитися, причому переважно кількісно. Отже, вибір методу для конкретного завдання виробляється сточки зору зручності його застосування, а також точності виміру даного параметра акустичного поля.

Эхо-имульсивные методи візуалізації і измерений

Методы ультразвукової эхо-импульсной візуалізації вже знайшли це широке і різноманітне використання у медицине.

Основным елементом будь-який системи візуалізації є електроакустичний перетворювач, який є для випромінювання зондувального акустичного імпульсу в об'єкт й у прийому акустичних эхо-сигналов, переизлучаемых мишенью.

Приемник є свого роду систему поєднання між перетворювачем і дисплеєм чи системою записи, що застосовуються передачі спостерігачеві інформації, отриманої з допомогою ультразвуку. У хороших системах эхо-сигналы на виході перетворювача мають великий динамічний диапазон.

Области застосування эхо-импульсных методів

Эхо-импульсные методи нині стали широко застосовується у багатьох областях медицины.

АКУШЕРСТВО Акушерство — та область медицини, де эхо-импульсивные ультразвукові методи найбільш міцно укоренилися як частину медичної практики. Аналізовані тут чотири основних завдання ілюструють цінність багатьох корисних властивостей ультразвукових методов.

Надежное визначення становища плаценти — завдання першочергової важливості в акушерської практиці. З розвитком техніки, що забезпечує високе розширення за контрастом, цю процедуру стала вже рутинної. Прилади, працюючі у часі, эргономически вигідніші, оскільки дозволяють визначати становища плаценти швидше, ніж статичні сканери.

Второй вид процедур, стали вже звичними, — оцінка розвитку плоду для вимірювання одного чи більше його розмірів, як-от діаметр голівки, окружність голівки, площа грудної клітини чи живота. Оскільки чи навіть дуже малі зміни цих розмірів може мати діагностичне значення, ці методи вимагають високої точності самої апаратури і методик її применения.

Третий вид процедур, що з’явився нещодавно не таке ще укоренившийся на практиці, — раннє виявлення аномалій плоду. Це додаток вимагає особливо хорошого просторового вирішення і дозволу за контрастом, переважно в поєднані із режимом реального часу й швидким скануванням. Хороші методики і якісна апаратура дозволяють виявляти такі дефекти, як недорозвинення (загибель) яйця, анэнцефалия (повне або «майже повну відсутність мозку), гідроцефалія (надлишок рідини у мозку, спостережуваний як уширения шлуночків), спінальні (хребетні) дефекти, найчастіше необнаружимые біохімічними методами, і дефекти шлунково-кишкового тракту. Допоміжну, але нам дуже є ультразвук у процедурі амниоцентеза (пункції плідного міхура) — взяття навколоплідних вод для цитологічних досліджень, і виявлення можливих генетичних порушень. Введення голки при амниоцентезе під медичним наглядом ультразвукової візуалізації, забезпечує значно більшу безпеку цієї процедури.

Наконец, слід зазначити ультразвукове дослідження руху плоду. Це нещодавно стало предметом докладного дослідження. Зараз йде накопичення великої кількості інформації, як рухом кінцівок плоду і псевдодыханию, і за динамікою серця й судин. Тут основний інтерес представляє дослідження фізіології та розвитку плоду; до виявлення аномалій плоду поки що далеко.

ОФТАЛЬМОЛОГИЯ.

Может бути, через щодо малих розмірів очі офтальмологія кілька виділилася з інших областей застосування ультразвука.

Ультразвук особливо зручний точного визначення розмірів очі, і навіть для дослідження патології та аномалій структур очі у випадку їхньої непрозорості і, отже, недоступності для звичайного оптичного дослідження. Тут також важлива точність праці та калібрування апаратури, слід також приділити особливе увагу ефектів, що з переломленням ультразвуку в кришталику і роговице.

Область позаду очі - орбіта — доступна ультразвуковому обстеження через очей, тому ультразвук разом із комп’ютерної томографією став однією з основних методів неинвазивного дослідження патологій цій галузі. Структури орбіти мають малі розміри і вимагають хорошого просторового вирішення і дозволу по контрасту, що можна досягнути на високих частотах. Практичні складності можуть виникати, проте, якщо спробувати використовувати апаратуру, характеристики якої запозичені із телевізійної техніки, а смуга пропускання відповідно ограничена.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРІШНІХ ОРГАНОВ Под таким заголовком можна розгледіти безліч різноманітних завдань, переважно пов’язаних з дослідженням черевної порожнини, де ультразвук використовується для виявлення й розпізнавання аномалій анатомічних структур і тканин. Найчастіше завдання така: існує підозра на злоякісне освіту й необхідно відрізнити його від доброякісних чи інфекційних за своєю природою образований.

При дослідженні печінки крім важливого завдання виявлення вторинних злоякісних утворень ультразвук корисний на вирішення інші завдання, включаючи виявлення захворювань, і непрохідності жовчних проток, дослідження жовчного міхура з метою виявлення рифів і інших патологій, дослідження цирозу та інших доброякісних дифузних захворювань печінки, і навіть паразитарних захворювань, як-от шистосоматоз. Нирки — іще одна орган, у якому необхідно досліджувати різні злоякісні і доброякісні стану (включаючи життєздатність після трансплантації) з допомогою ультразвуку. Гінекологічні дослідження, зокрема дослідження матки і яєчників, в протягом довгого часу є головним напрямом успішного застосування ультразвуку. Тут найчастіше також потрібна диференціація злоякісних і доброякісних утворень, які зазвичай вимагає найкращого просторового і контрастного дозволу. Аналогічні укладання можна й до дослідження багатьох інших внутрішніх органів прокуратури та областей. Зростає інтерес до застосування ультразвукових ендоскопічних зондів. Ці устрою, які можна вводити в природні порожнини тіла під час обстеження чи застосовувати при хірургічному втручанні, дозволяють підвищити якість зображення через вищої робочої частоти і/або відсутності по дорозі ультразвуку таких несприятливих акустичних середовищ, як газ чи кость.

ПРИПОВЕРХНОСНЫЕ І ЗОВНІШНІ ОРГАНИ.

Щитовидная і молочна залози, хоч і легко доступні ультразвуковому обстеження, часто вимагають використання водяного і іонного буфера, щоб у зображення не вплинули аномалії ближньої зони поля. При дослідженні щитовидної і паращитовидной залозі основне застосування ультразвуку — розрізнення кистозных і твердих утворень, що можна при хорошому придушенні шуму й артефактів, викликаних реверберацией і бічними пелюстками излучения.

Захватывающая перспектива — скринінг виявлення найрізноманітніших ознак раку молочної залози за відсутності виражених симптомів, особливо в жінок із аномально високим чинником ризику. Технічно тут слід знайти аномалію розмірів близько 2 мм в діаметрі, коли ця аномалія щодо рідко є у заданої групі, наприклад, буде тільки в однієї пацієнтці.

Методы візуалізації молочної і щитовидної залоз, часто використовують акустичну затримку поширення, застосовні також до обстеження інших приповерхностных тканин, наприклад, виміру атмосферного явища товщини шкіри, необхідна за радіаційної терапії для опромінення електронами, під час обстеження приповерхностных кровоносних судин, як-от сонна артерія, і навіть при дослідженні реакції пухлин на терапевтичні впливу.

КАРДИОЛОГИЯ Ультразвуковые методи широко застосовуються під час обстеження серця й прилеглих магістральних судин. Це було пов’язано, зокрема, із можливістю швидкого отримання просторової інформації, і навіть можливістю її об'єднання томографической візуалізацією. Так, щоб виявити і розпізнавання аномалій руху клапанів серця, зокрема мітрального, дуже широко використовується М-режим. У цьому важливо реєструвати рух клапанів до частот порядку 50 Гц і, отже, із частотою повторення близько 100Гц. Цю цифру, залишаючись значно нижчі від згаданого вище придела для эхо-импульсных приладів (близько 5кГц), по суті, недосяжна за будь-яких інші методи исследования.

НЕВРОЛОГИЯ До появи рентгенівської комп’ютерної томографії мозок було надто складно досліджувати. Починаючи з 1951 р., в Лондонському королівському онкологічному госпіталі робилися великих зусиль застосування ультразвуку до цьому завданні. До жалю, цьому заважають фізичні властивості черепа дорослої людини, оскільки череп є сильно яка поглинає трехслойною структуру перемінної товщини. Хоча було зроблено кілька цікавих спроб подолати ці труднощі, зокрема з допомогою керованих многоэлементных решіток, коли датчик прилягає до обмеженою області черепа, ні з часткової автоматичної компенсацією фазової затримки для обліку змін товщини черепа, таке застосування не зустріло схвалення диагностов. Проте ще не затверділий череп плоду чи новонародженого в акустичному плані не представляє значних перепон, що з виникненням загасання чи заломлення, і тому ультразвукове обстеження тут застосовується все чаще.

Применение ультразвуку в терапії, і хирургии

Давно відомо, що ультразвук, діючи на тканини, викликає у них біологічні зміни. Інтерес Вільгельма до вивченню цієї проблеми обумовлений, з одного боку, природним побоюванням, що з можливим ризиком застосування ультразвукових діагностичних систем для візуалізації, з другого — можливістю викликати зміни у тканинах задля досягнення терапевтичного ефекту.

Терапевтический ультразвук то, можливо умовно розділений на ультразвук низьких і високих інтенсивностей. Основне завдання застосування ультразвуку низьких інтенсивностей — не повреждающей нагрівання чи якісь нетепловые ефекти, і навіть стимуляція і прискорення нормальних фізіологічних реакцій під час лікування ушкоджень. За більш високих интенсивностях головна мета — викликати керовану виборче руйнація будинків-пам'ятників у тканях.

Первое напрям включає у собі більшість застосувань ультразвуку в фізіотерапії і деяких видів терапії раку, друге — ультразвукове хирургию.

НАГРЕВ Распределение температури в тканинах ссавців при ультразвуковому нагріванні, вже докладно обговорювалися. Керований нагрівання глибоко розташованих тканин може дати тривалий терапевтичний ефект у низці случаев.

Высокий коефіцієнт поглинання ультразвуку в тканинах з більшими на молекулами обумовлює помітне нагрівання коллагенсодержащих тканин, куди найчастіше й впливають ультразвуком при фізіотерапевтичних процедурах.

Увеличение розтяжності коллагенсодержащих тканей Основной чинник, який часто перешкоджає відновленню м’якої тканини після його ушкодження, — це скорочування, що виникає внаслідок ушкодження і що обмежує нормальне рух. Слабка прогрівання тканини може підвищити її еластичність. при додатковому прогревании під час растягивающих вправ поліпшується гнучкість коллагенсодержащих структур. Ультразвукової нагрівання наводить до підвищення розтяжності сухожиль. Рубцовая тканину теж може стати більш еластичною під впливом ультразвуку.

Повышение рухливості суставов Амплитуда рухів суглобів у разі контрактури може бути збільшена шляхом їх нагріву. Для нагріву суглоба, оточеного значним шаром м’яких тканин, ультразвукової спосіб найкращий, оскільки ультразвук краще за інші форми диатермической енергії проникає в м’язову ткань.

Болеутоляющее действие Многие пацієнти відзначають ослаблення болю при тепловому вплив на уражені області. Знеболюючий то може бути як короткочасним, і тривалим. У певних захворюваннях застосування ультразвуку зменшення болю дає найкращі результати. Ультразвук послаблює фантомні болю після ампутації кінцівок, і навіть болю, викликані освітою рубців і невром. Механізми болезаспокійливого дії поки що туманні; можливо, у яких вносять внесок і нетепловые ефекти.

Изменения кровотока При локальному нагріванні тканини часто відзначаються судинні реакції, виявляються навіть у деякій відстані від місця воздействия.

При нагріванні ультразвуком чи електромагнітному випромінюванням спостерігаються подібні ефекти. При імпульсному опроміненні (коли теплові ефекти не великі) також змінюється кровотік. Ці зміни зберігаються з півгодини по закінченні процедуры.

Местное розширення судин збільшує надходження кисню у тканину і, отже, покращує умови, у яких містяться клітини. Можливо, саме цим пояснюється терапевтичний ефект, і навіть нерідко бачимо посилення запальної реакции.

Уменьшение м’язового спазма Прогревание може зменшити м’язовий спазм. Очевидно, зумовлено седативним (заспокійливою) дією підвищення температури на периферичні нервові закінчення. Ультразвук також може бути використаний цієї цели.

Степень фізіологічної реакцію прогрівання залежить від значної частини чинників, які включають що досягається температуру, час прогрівання, розмір прогреваемой зони і швидкість збільшення температури. Ультразвук дозволяє швидко нагріти суворо певну область. До анатомічним структурам, які вибірково нагріваються ультразвуком, ставляться багаті на колаген поверхневі шари кістки, окістя, суглобні меніски, синовіальна рідина, суглобні сумки, з'єднувальні тканини, внутрішньом'язові рубці, м’язові волокна, оболонки сухожиль і головні нервові стволы.

В деяких випадках ультразвук може бути більш ефективної формою діатермії, ніж короткохвильові випромінювання, парафінові аплікації і інфрачервоне випромінювання.

Оценка безпеки застосування ультразвуку в медицине

Как наукові, і професійні інтереси зобов’язують учених з’ясувати, наскільки небезпечний для пацієнта і оператора представляє використання ультразвуку.

В справжнє час неможливо виділити чи навіть дещо фізичних параметрів, які б як адекватних кількісних характеристик, дозволяють передбачити кінцевий біологічний эффект.

В відсутності адекватної інформації, з урахуванням якому мають бути встановлено максимально допустимі дози при застосуванні ультразвуку до медицини, було б корисним висунути деякі критерії для правильного застосування ультразвуку. Ряд таких критеріїв то, можливо узагальнено наступним образом:

Оператор повинен використовувати мінімальні інтенсивності і експозиції, які дозволяють одержати у пацієнта бажаний клінічний ефект;

Обслуживающий персонал похвалитися не повинен облучатся без необходимости;

Все процедури повинні виконуватися добре навченим персоналом або під його керівництвом.

Если слідувати цим рекомендаціям, то ультразвук можна змогли ефективно використати до медицини з великий упевненістю у його безопасности.

Список литературы

Хилл До. — «Застосування ультразвуку до медицини» — 1989 г.

Ремизов О.Н. — «Медична і біологічна фізика» — 1987 г Крылов Н. П. і Рокитянский В.І. — «Ультразвук і застосування» — 1958 г Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.