Ультразвук, лечение ультразвуком
Ультразвуковые колебания лежат за пределами восприятия человеческого уха, т. е. от 16 кгц до 2-102Мгц. Благодаря малой длине волны, ультразвук способен создавать очень высокие плотности акустической энергии. Для терапевтических целей обычно применяют частоты 800 кгц. Средняя применяемая терапевтическая интенсивность ультразвука составляет около 1 вт/см2 и меньше. Тончайшие прослойки воздуха (в сотые доли миллиметра) препятствуют прохождению ультразвука в ткани организма.
При воздействии ультразвуком на биологические объекты необходимо в основном считаться со следующими тремя особенностями действия: 1) механическое действие, вызываемое переменным звуковым давлением; 2) тепловой эффект, возникающий внутри ткани; 3) физико-химическое действие.
При действии ультразвука большой интенсивности на жидкие среды возникает разрыв жидкости, называемый кавитацией, при которой образуются полости, несущие электрический заряд. Электрические заряды могут вызывать ионизацию, а также химические реакции. Результатом кавитации является деполяризация макромолекул в ультразвуковом поле. Кавитация может вызвать разрыв тканей биологических объектов, если применяют ультразвук больших интенсивностей. При использовании терапевтических дозировок кавитации внутри человеческой ткани не происходит, а происходит псевдокавитация, т. е. микромассаж тканей.
Возникновение тепла в ткани при применении ультразвука объясняют периодическим сжатием среды и превращением акустической энергии в тепловую. В образовании тепла в тканях имеет значение раздел поверхностных сред, когда акустическое сопротивление этих сред сильно отличается друг от друга. Успешное применение ультразвука в технических целях способствовало изучению действия ультразвука больших интенсивностей, в то время как малые интенсивности (до 1 вт/см2) изучены недостаточно. Поэтому между физико-химическими явлениями, возникающими в биологических средах, и физиологическими процессами, наблюдаемыми в организме, имеется много неясного.
Многие считают, что ультразвук обладает специфическим действием в виде теплового эффекта и связанными с ним гиперемией и анальгезией; однако, кроме теплового, ультразвук обладает и физико-химическим действием.
Под влиянием ультразвука происходят различные окислительно-восстановительные процессы, например окисление йодистого калия, обесцвечивание органических красителей. При воздействии на дистиллированную воду, содержащую воздух, за счет появления псевдокавитации в отрицательной фазе звукового переменного давления образуются маленькие пузырьки газа. Из-за псевдокавитации далее возникают электрические заряды, обусловливающие явления люминесценции. Эти явления люминесценции в свою очередь являются причиной вторичных реакций, которые образуют фотохимическим путем свободные радикалы ОН, осуществляющие окисляющее действие.
Ультразвук вызывает выраженную ионизацию воды на поверхностях раздела кавитационных полостей. Было установлено, что при воздействии ультразвуком в терапевтической интенсивности на изолированные органы появляются фармакологически действующие вещества, освобождающиеся в ходе воздействия, в частности гистамин.
Вопрос о дозировке ультразвука весьма сложный, и при установлении биологической дозы некоторые предлагают исходить из химических реакций, вызываемых ультразвуком. В практике при дозировке пользуются интенсивностью ультразвука и продолжительностью воздействия. Биологический эффект в основном зависит от интенсивности ультразвука, которую определяют в вт/см2 с помощью ультразвуковых весов. При применении ультразвука необходимо учитывать его интенсивность в вт/см2, продолжительность воздействия, последовательность и число воздействий, режим применения - непрерывный или импульсный.
В физиотерапии считают интенсивности 0,1-0,4 вт/см2 малыми, 0,5-0,8 вт/см2 средними и 0,9-1,2 вт/см2 большими; большими интенсивностями пользуются только при биологических исследованиях. Необходимо отметить, что серьезных научных обоснований для такого деления нет; при терапевтическом применении ультразвука следует проявлять большую осторожность, особенно в отношении нервной системы. Необходимо учитывать также физиологическую реактивность биологического объекта. Эмбриональная быстрорастущая и новообразованная ткани значительно восприимчивее к действию ультразвука, чем другие.
При применении средних интенсивностей ультразвука можно отметить в клетке сильную циркуляцию протоплазмы, благодаря чему изменяется проницаемость клеточной оболочки для ионов калия и кальция. Внутри «озвученных» клеток можно наблюдать образование амилоидных глыбок, патологических вакуолей и жировых капелек, межклеточный обмен усиливается.
Биологическое действие ультразвука на кожу исследовано довольно хорошо. Кожа как пограничная область, на которую воздействует ультразвук, может полностью отразить его, если между кожей и поверхностью излучателя имеется даже тончайший слой воздуха (0,001 мм); небольшие пузырьки воздуха, находящиеся в волосяных мешочках, препятствуют проникновению ультразвуковых колебаний в организм. Поэтому между звуковой головкой аппарата и кожей должна находиться какая-либо жидкость; обычно используют вазелиновое масло.
Выход ультразвуковых колебаний из биологической ткани в воздух может повести к сильному повышению температуры кожи и ее ожогу. Высокая температура возникает из-за полного отражения ультразвука от этой поверхности. Так, при воздействии на палец руки по стабильной методике через некоторое время возникает боль от ожога на поверхности кожи. Появляющуюся гиперемию кожи объясняют иногда тепловым воздействием ультразвука.
Изменение соединительной ткани под влиянием ультразвука в эксперименте имеет определенную направленность. При применении интенсивности ультразвука 1,17 вт/см2 в подкожной клетчатке крыс можно наблюдать гомогенизацию межуточного вещества с почти полным исчезновением рисунка волокнистых структур, исчезновение на препаратах видимости протоплазмы клеток с наличием только единичных ядер неправильной формы, по которым нельзя отличить фибробласты от гистиоцитов. Однако через 3 дня после воздействия в препаратах рыхлой соединительной ткани можно видеть наметившиеся процессы восстановления структур соединительной ткани - заметное увеличение ядер, возрастание числа клеточных форм и т. д.
Применение ультразвука меньших интенсивностей (0,2 вт/см2) вызывает ту же двухфазную картину изменений соединительной ткани, только первоначальная фаза угнетения выражена менее ярко.
Отмеченная морфологическая картина связана с изменением проницаемости клеточных мембран, расшатыванием внутриклеточных структур, изменением ферментных систем и т. д..
Применение ультразвука интенсивностью 1 вт/см2 вызывает у собаки повышение артериального давления, а при уменьшении интенсивности оно понижается. При воздействии на область каротидных синусов всегда отмечали тенденцию к снижению артериального давления независимо от его интенсивности. У собак с питуитриновой гипертонией воздействие ультразвуком на область сердца, продолговатого мозга и каротидных синусов при интенсивности 0,5; 0,2; 0,1 вт/см2 приводит к снижению артериального давления. При почечной гипертонии у животных ультразвук не только не вызывает снижения артериального давления, но оно, наоборот, повышается.
Ультразвук действует на костную и хрящевую ткань, а также на эндоост, надкостницу и надхрящницу. При этом необходимо учитывать значение проникновения ультразвука через пограничные поверхности, имеющие неоднородную структуру. Из-за этих граничащих поверхностей кости подвергаются повышенному тепловому и механическому воздействию. Кроме того, вследствие возникающих под воздействием ультразвука изменений может быть нарушено нормальное питание костной ткани. Характерным является медленное повреждение кости, подвергшейся воздействию ультразвука, которое обнаруживают лишь через 1-2 недели. Изменение костной ткани при большой интенсивности (3-6 вт/см2) проявляется в виде утолщения надкостницы; позже в местах утолщений появляются переломы костей.
Изменения костного мозга изучали при действии ультразвука на длинные трубчатые кости задней конечности кролика интенсивностью 2-3 вт/см2 при продолжительности воздействия 5-10 минут. При этом в месте воздействия появлялось распространенное омертвение ткани в виде инфаркта. Гистологическая картина, соответствующая инфаркту, подтверждала застой кровообращения, гомогенизацию эритроцитов или гемолиз.
Яичники и семенники очень чувствительны к действию ультразвука. При малых интенсивностях ультразвук у инфантильных животных вызывает преждевременное наступление цикла и увеличение роста фолликулов.
Воздействие на беременных животных, достигших половой зрелости, всегда приводит либо к выкидышу, либо к преждевременному выбрасыванию жизнеспособного плода. Прерывание беременности не сопровождается сильными нарушениями общего состояния животного, но способность к зачатию при этом снижается.
Паренхиматозные органы (селезенка, печень, почка) очень чувствительны к ультразвуку. Во всех этих органах при действии ультразвука слабой интенсивности отмечается гиперемия, при большей интенсивности и длительном воздействии появляются вакуоли, кровоизлияния с последующими дегенеративными изменениями.
Многие явления, которые возникают в различных органах при действии ультразвука, объясняются раздражением нервной системы. При воздействии на нерв на первый план выступает его нагрев с понижением скорости проведения возбуждения, однако после прекращения воздействия ультразвука проводимость нерва восстанавливается. При значительных интенсивностях ультразвука резко снижается физиологическая активность нерва. При этом с помощью поляризационного микроскопа в нерве можно обнаружить местные разрушения поляризационных свойств нервных оболочек, по-видимому, в результате превышения порога кавитации.
Головной мозг при воздействии ультразвука изучали мало и больше морфологически. При слабых интенсивностях и непродолжительном воздействии отмечалась незначительная реакция, при сильных же интенсивностях появлялись некрозы мозговой ткани, расположенные в виде треугольника, обращенного основанием к черепной крышке.
Лечебное применение ультразвука имеет большие перспективы в будущем, так как в тканях организма он вызывает изменения различной направленности в зависимости от применяемой интенсивности, способа и места воздействия. Однако биологические основы механизма действия ультразвука разработаны еще недостаточно, несмотря на то что в терапии его применяют уже около 30 лет. Это, с одной стороны, объясняют сложностью физиологических процессов, вызываемых ультразвуком при прохождении через различные ткани, а с другой,- тем, что при биологических исследованиях ультразвука основное внимание было направлено на выяснение характера действия больших интенсивностей, которые для терапии не пригодны. Выяснение специфических особенностей действия ультразвука на различные ткани позволит успешно его применять при различных заболеваниях.
При воздействии ультразвуком на биологические объекты необходимо в основном считаться со следующими тремя особенностями действия: 1) механическое действие, вызываемое переменным звуковым давлением; 2) тепловой эффект, возникающий внутри ткани; 3) физико-химическое действие.
При действии ультразвука большой интенсивности на жидкие среды возникает разрыв жидкости, называемый кавитацией, при которой образуются полости, несущие электрический заряд. Электрические заряды могут вызывать ионизацию, а также химические реакции. Результатом кавитации является деполяризация макромолекул в ультразвуковом поле. Кавитация может вызвать разрыв тканей биологических объектов, если применяют ультразвук больших интенсивностей. При использовании терапевтических дозировок кавитации внутри человеческой ткани не происходит, а происходит псевдокавитация, т. е. микромассаж тканей.
Возникновение тепла в ткани при применении ультразвука объясняют периодическим сжатием среды и превращением акустической энергии в тепловую. В образовании тепла в тканях имеет значение раздел поверхностных сред, когда акустическое сопротивление этих сред сильно отличается друг от друга. Успешное применение ультразвука в технических целях способствовало изучению действия ультразвука больших интенсивностей, в то время как малые интенсивности (до 1 вт/см2) изучены недостаточно. Поэтому между физико-химическими явлениями, возникающими в биологических средах, и физиологическими процессами, наблюдаемыми в организме, имеется много неясного.
Многие считают, что ультразвук обладает специфическим действием в виде теплового эффекта и связанными с ним гиперемией и анальгезией; однако, кроме теплового, ультразвук обладает и физико-химическим действием.
Под влиянием ультразвука происходят различные окислительно-восстановительные процессы, например окисление йодистого калия, обесцвечивание органических красителей. При воздействии на дистиллированную воду, содержащую воздух, за счет появления псевдокавитации в отрицательной фазе звукового переменного давления образуются маленькие пузырьки газа. Из-за псевдокавитации далее возникают электрические заряды, обусловливающие явления люминесценции. Эти явления люминесценции в свою очередь являются причиной вторичных реакций, которые образуют фотохимическим путем свободные радикалы ОН, осуществляющие окисляющее действие.
Ультразвук вызывает выраженную ионизацию воды на поверхностях раздела кавитационных полостей. Было установлено, что при воздействии ультразвуком в терапевтической интенсивности на изолированные органы появляются фармакологически действующие вещества, освобождающиеся в ходе воздействия, в частности гистамин.
Вопрос о дозировке ультразвука весьма сложный, и при установлении биологической дозы некоторые предлагают исходить из химических реакций, вызываемых ультразвуком. В практике при дозировке пользуются интенсивностью ультразвука и продолжительностью воздействия. Биологический эффект в основном зависит от интенсивности ультразвука, которую определяют в вт/см2 с помощью ультразвуковых весов. При применении ультразвука необходимо учитывать его интенсивность в вт/см2, продолжительность воздействия, последовательность и число воздействий, режим применения - непрерывный или импульсный.
В физиотерапии считают интенсивности 0,1-0,4 вт/см2 малыми, 0,5-0,8 вт/см2 средними и 0,9-1,2 вт/см2 большими; большими интенсивностями пользуются только при биологических исследованиях. Необходимо отметить, что серьезных научных обоснований для такого деления нет; при терапевтическом применении ультразвука следует проявлять большую осторожность, особенно в отношении нервной системы. Необходимо учитывать также физиологическую реактивность биологического объекта. Эмбриональная быстрорастущая и новообразованная ткани значительно восприимчивее к действию ультразвука, чем другие.
При применении средних интенсивностей ультразвука можно отметить в клетке сильную циркуляцию протоплазмы, благодаря чему изменяется проницаемость клеточной оболочки для ионов калия и кальция. Внутри «озвученных» клеток можно наблюдать образование амилоидных глыбок, патологических вакуолей и жировых капелек, межклеточный обмен усиливается.
Биологическое действие ультразвука на кожу исследовано довольно хорошо. Кожа как пограничная область, на которую воздействует ультразвук, может полностью отразить его, если между кожей и поверхностью излучателя имеется даже тончайший слой воздуха (0,001 мм); небольшие пузырьки воздуха, находящиеся в волосяных мешочках, препятствуют проникновению ультразвуковых колебаний в организм. Поэтому между звуковой головкой аппарата и кожей должна находиться какая-либо жидкость; обычно используют вазелиновое масло.
Выход ультразвуковых колебаний из биологической ткани в воздух может повести к сильному повышению температуры кожи и ее ожогу. Высокая температура возникает из-за полного отражения ультразвука от этой поверхности. Так, при воздействии на палец руки по стабильной методике через некоторое время возникает боль от ожога на поверхности кожи. Появляющуюся гиперемию кожи объясняют иногда тепловым воздействием ультразвука.
Изменение соединительной ткани под влиянием ультразвука в эксперименте имеет определенную направленность. При применении интенсивности ультразвука 1,17 вт/см2 в подкожной клетчатке крыс можно наблюдать гомогенизацию межуточного вещества с почти полным исчезновением рисунка волокнистых структур, исчезновение на препаратах видимости протоплазмы клеток с наличием только единичных ядер неправильной формы, по которым нельзя отличить фибробласты от гистиоцитов. Однако через 3 дня после воздействия в препаратах рыхлой соединительной ткани можно видеть наметившиеся процессы восстановления структур соединительной ткани - заметное увеличение ядер, возрастание числа клеточных форм и т. д.
Применение ультразвука меньших интенсивностей (0,2 вт/см2) вызывает ту же двухфазную картину изменений соединительной ткани, только первоначальная фаза угнетения выражена менее ярко.
Отмеченная морфологическая картина связана с изменением проницаемости клеточных мембран, расшатыванием внутриклеточных структур, изменением ферментных систем и т. д..
Применение ультразвука интенсивностью 1 вт/см2 вызывает у собаки повышение артериального давления, а при уменьшении интенсивности оно понижается. При воздействии на область каротидных синусов всегда отмечали тенденцию к снижению артериального давления независимо от его интенсивности. У собак с питуитриновой гипертонией воздействие ультразвуком на область сердца, продолговатого мозга и каротидных синусов при интенсивности 0,5; 0,2; 0,1 вт/см2 приводит к снижению артериального давления. При почечной гипертонии у животных ультразвук не только не вызывает снижения артериального давления, но оно, наоборот, повышается.
Ультразвук действует на костную и хрящевую ткань, а также на эндоост, надкостницу и надхрящницу. При этом необходимо учитывать значение проникновения ультразвука через пограничные поверхности, имеющие неоднородную структуру. Из-за этих граничащих поверхностей кости подвергаются повышенному тепловому и механическому воздействию. Кроме того, вследствие возникающих под воздействием ультразвука изменений может быть нарушено нормальное питание костной ткани. Характерным является медленное повреждение кости, подвергшейся воздействию ультразвука, которое обнаруживают лишь через 1-2 недели. Изменение костной ткани при большой интенсивности (3-6 вт/см2) проявляется в виде утолщения надкостницы; позже в местах утолщений появляются переломы костей.
Изменения костного мозга изучали при действии ультразвука на длинные трубчатые кости задней конечности кролика интенсивностью 2-3 вт/см2 при продолжительности воздействия 5-10 минут. При этом в месте воздействия появлялось распространенное омертвение ткани в виде инфаркта. Гистологическая картина, соответствующая инфаркту, подтверждала застой кровообращения, гомогенизацию эритроцитов или гемолиз.
Яичники и семенники очень чувствительны к действию ультразвука. При малых интенсивностях ультразвук у инфантильных животных вызывает преждевременное наступление цикла и увеличение роста фолликулов.
Воздействие на беременных животных, достигших половой зрелости, всегда приводит либо к выкидышу, либо к преждевременному выбрасыванию жизнеспособного плода. Прерывание беременности не сопровождается сильными нарушениями общего состояния животного, но способность к зачатию при этом снижается.
Паренхиматозные органы (селезенка, печень, почка) очень чувствительны к ультразвуку. Во всех этих органах при действии ультразвука слабой интенсивности отмечается гиперемия, при большей интенсивности и длительном воздействии появляются вакуоли, кровоизлияния с последующими дегенеративными изменениями.
Многие явления, которые возникают в различных органах при действии ультразвука, объясняются раздражением нервной системы. При воздействии на нерв на первый план выступает его нагрев с понижением скорости проведения возбуждения, однако после прекращения воздействия ультразвука проводимость нерва восстанавливается. При значительных интенсивностях ультразвука резко снижается физиологическая активность нерва. При этом с помощью поляризационного микроскопа в нерве можно обнаружить местные разрушения поляризационных свойств нервных оболочек, по-видимому, в результате превышения порога кавитации.
Головной мозг при воздействии ультразвука изучали мало и больше морфологически. При слабых интенсивностях и непродолжительном воздействии отмечалась незначительная реакция, при сильных же интенсивностях появлялись некрозы мозговой ткани, расположенные в виде треугольника, обращенного основанием к черепной крышке.
Лечебное применение ультразвука имеет большие перспективы в будущем, так как в тканях организма он вызывает изменения различной направленности в зависимости от применяемой интенсивности, способа и места воздействия. Однако биологические основы механизма действия ультразвука разработаны еще недостаточно, несмотря на то что в терапии его применяют уже около 30 лет. Это, с одной стороны, объясняют сложностью физиологических процессов, вызываемых ультразвуком при прохождении через различные ткани, а с другой,- тем, что при биологических исследованиях ультразвука основное внимание было направлено на выяснение характера действия больших интенсивностей, которые для терапии не пригодны. Выяснение специфических особенностей действия ультразвука на различные ткани позволит успешно его применять при различных заболеваниях.