Рис. 3. Зависимости коэффициентов затухания звука от частоты в различных тканях и биологических жидкостях. 1-лёгкие; 2-кости черепа; 3-сухожилия; 4-кожа; 5-молочная железа; 6-скелетнвя мышца при распространении звука параллельно волокнам; 7-фиксированная сердечная мышца на частоте 100МГц; 8-мозг взрослого человека; 9-печень на частотах 1-10 МГц; 10- печень на частоте 100МГц; 11-почка на частотах 100 и 220 МГц; 12-селезёнка; 13-семенники; 14-мозг ребенка; 15-цельная кровь; 16-кистозная жидкость молочной железы (9,4 %-ный белковый раствор); 17-плаза крови; 18-10%-ныйраствор гемоглобина при температуре 25°С; 19-диапазон значений растворов для аминокислот; 20-вода.
В большинстве мягких тканей на частотах, превышающих 3 МГц, и при температурах выше 20°С затухание звука уменьшается с ростом температуры пропорционально корню квадратному из вязкости. На основании этого было заключению, что важную роль в этом процессе могут играть вязкие потери за счет относительного движения. При температурах ниже 20°С жировая ткань, а также и другие ткани характеризуются отрицательным температурным коэффициентом затухания, который спадает с ростом температуры значительно круче, чем корень квадратный из вязкости. На рис. 4 [1] представлены суммарные данные по поглощению и затуханию звука в тканях центральной нервной системы мыши, кошки и человека.
Рис. 4 Изотермические зависимости параметра α/ƒ2 от частоты для тканей центральной нервной системы. На частотах ниже 1 МГц представленные зависимости характеризуют поглощение звука в спинном мозге мыши, выше 1 МГц эти графики соответствуют затуханию звука в фиксированном мозге коровы. Результаты для затухания в мозге кошки на частоте 4,2 МГц в интервале температур от 30 до 50 °С, а также данные для мозга человека.
4. Особенности распространения ультразвука в биологической среде.
При распространении ультразвука в жидкой среде возникает переменное давление. Отрицательное давление может привести к образованию полостей в месте разрежения (кавитация), а полость называется кавитационным пузырьком. Она может образоваться в жидкости при наличии в ней мельчайших пузырьков воздуха, которые являются зародышевыми центрами кавитации. В полости возникают пары жидкости и воздуха. В дегазированной жидкости кавитация отсутствует. В кавитационных пузырьках появляются новые поверхности, а на них в результате больших напряжений электрические заряды, которые могут способствовать образованию ионов в жидкости. Захлопывание пузырьков сопровождается выделением энергии, повышением температуры и свечением. Часть пузырьков сливается между собой и оседает на стенках сосудов или излучателя. Затухание ультразвуковых колебаний в среде за счет внутреннего торможения и наружного трения колеблющихся частиц среды приводит к частичной потере энергии и поглощению ее с переходом в тепловую. Механическое действие ультразвука обусловлено высокочастотными колебаниями, которые передаются ткани, соприкасающейся с излучателем. В последней происходит изменение давления, колебание клеток ткани и смещение в стороны при частоте ультразвуковой волны 800-3000 кГц. Ультразвук оказывает механическое действие на грубоволокнистую соединительную ткань. Целесообразно применять пульсовую подачу ультразвука, интенсивность ультразвуковой волны повышается, а тепловой эффект будет незначительным и будет отводиться циркулирующей кровью. Ультразвук ускоряет диффузию веществ и создает возможности вводить различные лекарственные средства через неповрежденный эпидермис (ультрофонофорез). Он усиливает проницаемость кожи для лекарственных препаратов, например, гидрокортизона. Тепловой эффект зависит от поглощения ультразвука тканями и не очень велик, так как тепло отводиться циркулирующей кровью. Повышение температуры при проведении процедуры сначала резкое, а затем более постепенное, как и падение температуры. Тепло образуется на границе подкожной клетчатки и мышц, хорошо выражено в мышечной ткани. Эмульгирование, раздробление не смешивающихся между собой жидкостей и порошков приводит к образованию стойких мелкодисперсных эмульсий, аэрозолей. Известно, что в кавитационных пузырьках образуются электрические заряды, которые вызывают ионизацию среды. Молекулы воды расщепляются на Н+ и ОН-, появляется перекись водорода, а в присутствии азота - азотные и азотистые кислоты. Возможна фиксация при помощи ультразвука молекулярного азота органическими кислотами с образованием аминокислот, которые идут на построение белка. Этим и объясняется роль ультразвука в регуляции синтеза белка. Изменяется соотношение между клеткой и межклеточной жидкостью в сторону повышения последней. Воспаленная ткань реагирует на ультразвук сильнее, чем здоровая, уменьшается ацидоз, кислотность среды смещается в щелочную сторону, а значит, в определенной степени отмечается противовоспалительный эффект. Ультразвуковые волны инактивируют ферменты, гормоны, повышают активность инсулина, вызывают расщепление гликогена, осуществляют деполимеризацию гиалуроновой и хондроитинсерной кислот, а значит, вызывают гидрацию дермы. При исследовании в биологических объектах отмечено, что ультразвуковой массаж высвобождает из тканей гистаминоподобные вещества. Рефлекторное действие ультразвука. Воздействуя на различные области тела, ультразвук оказывает обезболивающий, седативный эффект. Особенно хорошо это видно при сегментарном влиянии на определенные зоны по ходу нервов и сосудов. В мышцах под влиянием акустической энергии возникает гиперемия, гипертермия и повышение тонуса. С другой стороны, повышенный тонус в патологических условиях снижается. Суть нервно-рефлекторной теории воздействия ультразвука на организм заключается в следующем. Ультразвуковые волны вызывают раздражение нервнорецепторных приборов в тканях, а рефлекторный ответ центральной нервной системы на это раздражение, идущий через вегетативную нервную систему, обусловливает терапевтический эффект.