Общее воздействие ультразвука на ткани и организм в целом

Биологическое действие ультразвука, т.е. изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью воздействия и может оказывать как положительное так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/м2) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Ультразвуковые волнымалой и средней интенсивности вызывают в живых тканях положительные биологические эффекты, стимулирующие протекание нормальных физиологических процессов.

Успешное применение УЗ указанных интенсивностей находит применение в неврологии при реабилитации таких заболеваний, как хронический радикулит, полиартрит, неврит, невралгия. Ультразвук используется при лечении болезней позвоночника, суставов и т.д.

УЗ большой интенсивности (3-10 Вт/см2) оказывает вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. Высокая интенсивность ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Длительные интенсивные воздействия ультразвуком могут привести к перегреву биологических структур и к их разрушению (денатурация белков и др.). Воздействие интенсивного ультразвука может иметь и к отдаленные последствия. Например, при длительных воздействиях частотой УЗ частотой 20-30 кГц, возникающих в некоторых производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной системы, повышается утомляемость, поднимается температура, возникают нарушения органа слуха

Очень интенсивный УЗ для человека смертелен. Так, в Испании 80 добровольцев были подвергнуты действия УЗ турбулентных двигателей. Результаты этого варварского эксперимента оказались плачевными: 28 человек погибли, остальные оказались полностью или частично парализованы.

Тепловой эффект, производимый УЗ большой интенсивности, может быть весьма значительным: при ультразвуковом облучении мощностью 4 Вт/м2 в течение 20 с температура тканей и организма на глубине 2-5 см повышается на 5-6 0 С.

В целях предотвращения профессиональных заболеваний у лиц, работающих на ультразвуковых установках, когда возможен контакт с источниками ультразвуковых колебаний, для защиты рук обязательно необходимо применение 2 пар перчаток: наружных резиновых и внутренних – хлопчатобумажных.

1. Воздействие ультразвука на биологические клетки

Клетка представляет из себя минимальный биологический объект [2,3], можно сказать, биологический атом, все ткани и органы живого организма состоят из различных клеток. Несмотря на огромное разнообразие различных видов клеток, во всех них можно выделить много общих черт. Прежде всего, это общая структура (приведена на рис.1): любая клетка состоит из некоторого содержимого, отделенного от внешней среды клеточной мембраной – тонким слоем макромолекул, защищающим клетку и обеспечивающим ее обмен со внешним миром. Поверхность мембраны не является сплошной, в ней имеется множество каналов, обеспечивающих пропускание различных веществ – в основном, ионов легких металлов. Различные органические соединения, расположенные на внешней поверхности мембраны, необходимы для регулирования проводимости каналов и всего процесса жизнедеятельности клетки. Внутри клетки в некотором растворе, называемом цитоплазмой, располагаются различные органоиды – сложные комплексы, выполняющие каждый свою функцию. Среди них важнейшими являются ядро и ядрышко клетки, вакуоли, комплекс Гольджи и другие. Только правильная согласованная работа всех органоидов обеспечивает нормальное функционирование клетки как целого. Для этого необходимо поддерживать определенный состав цитоплазмы, концентрации различных веществ в ее растворе должны находиться в некоторых допустимых предела

Теперь рассмотрим собственно влияние ультразвука на отдельные биологические клетки, находящиеся во взвешенном состоянии в каком-либо растворе [1,2]. Идеальный объект для изучения данного явления – одноклеточные организмы в естественной среде обитания, так же в виде отдельных клеток во взвеси существуют, например, эритроциты в крови человека и некоторые другие клетки. Влияние ультразвука на популяции клеток – например, на живые ткани и органы, – вопрос гораздо более сложный, т.к. в популяции клетки взаимодействуют друг с другом, что может приводить к неочевидным результатам. Мощный, особенно низкочастотный ультразвук способен механически разрывать клеточные мембраны (рис.2), что приводит к нарушению целостности и гибели клеток. Действие ультразвука может приводить к существенному изменению механических, электрических и иных свойств клеточных мембран.

Облучение ультразвуком может приводить к нарушению внутреннего состава клеток и изменению концентраций веществ, растворенных в цитоплазме. При длительном воздействии ультразвука последствия остаются в течение некоторого времени после прекращения облучения, и нормальная жизнедеятельность клетки может не восстановиться в течении нескольких минут, часов или даже дней. Остановимся подробнее на каждом из перечисленных эффектов отдельно. Разрыв клеточных мембран и нарушение механической целостности клеток – пожалуй, наиболее очевидное из возможных последствий ультразвукового облучения. При прохождении в среде обитания клеток акустической волны в ней создаются переменные во времени механические напряжения, и если их амплитуда достаточно высока, клетка может просто не выдержать такого сильного воздействия, ее мембрана разорвется. Особенно опасен для клеток низкочастотный ультразвук. Однако даже при низких частотах механическое повреждение и гибель клеток происходят только при достаточно высоких интенсивностях ультразвука, существенно превышающих физиологические дозы. Изменение свойств мембраны под действием ультразвука обусловлено по большей части «отрыванием» мощным излучением макромолекул и молекулярных комплексов с внешней поверхности мембраны. Оторванные соединения растворяются в окружающей среде и могут снова «вернуться» на свое прежнее место через некоторое время после прекращения ультразвукового воздействия. Оставшись без важных составляющих, мембранные каналы сильно изменяют свою проводимость и иные свойства, мембрана функционирует аномально.

У некоторых клетках под действием ультразвука наблюдается генерация мембраной электрического потенциала действия. Это вынужденное возбуждение связано с описанным выше изменением электрических свойств мембраны.
Следующее важное следствие действия ультразвука – изменение концентрации различных веществ в составе цитоплазмы. Как было сказано выше, клетка – не замкнутая система, она постоянно находится в обмене веществом и энергией с окружающей средой. Так, каждое вещество, растворенное в цитоплазме, постоянно вытекает из клетки по мембранным каналам и, с другой стороны, поступает обратно в клетку из окружающей среды по ним же. Равновесная концентрация определяется, как правило, равновесием этих двух процессов. В простейшем приближении можно считать, что поток каждого вещества складывается из двух составляющих [4]:
j = j m e m + j d i f f,
где j m e m – ток через мембранные каналы, определяемый только свойствами мембраны, а j d i f f – диффузионный ток, определяемый уравнением диффузии:
j d i f f = D (C i n – C o u t) / h,
где D – коэффициент диффузии, h – толщина мембраны, Cin и Cout – концентрации вещества соответственно внутри и вне клетки. При достаточно мощном ультразвуке могут изменяться, как было сказано выше, свойства мембраны, т.е. величины jmem и D. Это, очевидно, приведет к изменению равновесной концентрации вещества внутри клетки. Но и менее интенсивный ультразвук может приводить к тому же результату. Это происходит по следующей причине: акустическая волна создает микровихри в окружающей клетку среде, обеспечивая эффективное перемешивание раствора. Если до воздействия ультразвукового излучения клетку окружал некоторый примембранный слой, в котором из-за диффузии концентрация веществ была ближе к внутриклеточной. Перемешивание уничтожает этот слой и выравнивает концентрации веществ во всем растворе, что увеличивает jdiff. Таким образом, воздействие ультразвука приближает концентрацию веществ в цитоплазме, особенно ионов легких металлов, к их концентрации вне клетки. Это делает клетку более зависимой от состава внешней среды, а также может нарушить внутренние процессы жизнедеятельности [4,5].

Нарушение внутреннего состава клетки и, как следствие, процессов ее жизнедеятельности, является наиболее глубоким и долгосрочным изменением. Последствия такого рода могут оставаться в силе по прошествии нескольких часов, а то и дней после окончания воздействия ультразвука.
Итак, мы рассмотрели возможные последствия действия ультразвука на отдельные биологические клетки. По мере убывания интенсивности ультразвука эти последствия можно упорядочить таким образом: нарушение целостности клетки – изменение свойств мембраны – изменение концентраций веществ в цитоплазме – нарушение жизнедеятельности. При наличии более ранних в этом списке симптомов последующие тоже, очевидно, присутствуют. Кратко коснемся основных отличий, проявляющихся при облучении не отдельных клеток, а клеточных популяций – тканей и органов. Во-первых, ультразвуковое облучение замедляет рост и деление клеток, что затормаживает жизнедеятельность и развитие популяции. Во-вторых, негативное влияние ультразвука на отдельные клетки компенсируется включением некоторых биологических механизмов «взаимовыручки», которые ослабляют его последствия.

2. Скорость и тепловые эффекты ультразвука

С точки зрения физики ультразвука ткани человеческого тела близки по своим свойствам жидкой среде, поэтому давление на них ультразвуковой волны может быть описано как сила, действующая на жидкость. Звуковые волны являются механическими по своей природе, так как в основе их лежит смещение частиц упругой среды от точки равновесия. Именно за счет упругости и происходит передача звуковой энергии через ткань. Скорость распространения ультразвука зависит, прежде всего, от упругости и от плотности ткани. Чем больше плотность материала, тем медленнее должны распространяться в нем (при одинаковой упругости) ультразвуковые волны. Но к этому физическому параметру следует подходить с осторожностью. Скорость звука при прохождении его через разные среды биологического организма может быть различной. В таблице 1 представлены скорости распространения ультразвука в различных средах [1]

Таблица 1

3. Затухание и поглощение ультразвука в биотканях

Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты. Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается.

Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и ее структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 37%). При частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см. На рис. 1.3.1 представлены зависимости коэффициентов затухания звука от частоты в различных тканях и биологических жидкостях. Теоретическая частотная зависимость затухания звука в некоторых мягких тканях и других биологических средах даётся выражением μ=bƒm

Было получено, что показатель степени т в данном выражении связан с возможными относительными вкладами различных механизмов затухания. Как видно из рис. 3 [1], для большинства мягких тканей и биологических жидкостей человеческого организма значения т близки к единице. Экспериментальные исследования показали, что для некоторых тканей эти значения остаются неизменными в достаточно широком частотном диапазоне вплоть до тех частот, на которых существенную роль начинает играть поглощение в воде.

Акустическое поле как фактор внешней среды человека:

энергетическое и информационное, действие.