В 2003 году исследователям из Токийского университета удалось использовать сонолюминесценцию для визуализации наиболее кавитационно уязвимых областей искусственного сердца. Однако наиболее многообещающим кажется использование сонолюминесценции непосредственно внутри организма. Действительно, с точки зрения медика этот процесс представляет собой нехирургический, неионизирующий, легко контролируемый и потенциально очень точный способ воздействия на внутренность живого организма: ведь размеры пузырька — доли миллиметра, а длительность воздействия может составлять доли миллисекунды. Несомненно, удачным стечением обстоятельств является и то, что живые организмы по большей части состоят из воды: ведь именно в воде сонолюминесцентный свет наиболее ярок. Можно представить себе как диагностическое (томографическое), так и терапевтическое воздействие сонолюминесценции на организм. Для томографии мягких, полупрозрачных тканей ультразвуковая волна должна фокусироваться в требуемую точку мягких тканей организма, порождая там светящийся кавитационный пузырек. Датчик регистрирует это свечение, анализирует его спектр и выделяет отдельные линии излучения, проводя, таким образом, химический анализ заданной точки живого организма. Необходимо подчеркнуть, что исследования в этом направлении уже начаты. В 1998 году физики из Техасского университета К. Шенг и Л. Ванг впервые экспериментально доказали, что сонолюминесцентная томография действительно позволяет «заглянуть» внутрь мягких полупрозрачных материалов.
В 2002 году группа китайских и японских исследователей успешно опробовала эту методику и на живых мышах (рис. 6.). Полученные исследователями изображения позволяли не только видеть мышь в «сонолюминесцентном свете», но и надежно распознавать отдельные мягкие ткани (печень, мышечную, жировую ткани), а также отслеживать распространение по организму введенного вещества, усиливавшего сонолюминесцентное свечение. Авторы подчеркивают, что все мыши успешно пережили эксперимент.
Рис. 6. Фотография живой мыши при тусклом освещении в оптическом диапазоне (a) и в «лучах сонолюминесцентного света» (b). Препарат, введенный подкожно в точке, помеченной крестиком, диффундировал в мягких тканях верхней части тела мыши. Область диффузии отчетливо видна на фотографии (b)
При терапевтическом воздействии сонолюминесценция будет выступать в роли «точечного скальпеля », причем гораздо более многопрофильного, чем применяемый ныне «ультразвуковой резак». Сонолюминесценция сможет не только точечно разрушать злокачественные образования, но и проводить химические реакции в заданном месте организма. Представляется вполне вероятным, что в клинике будущего пациент будет получать препарат, содержащий нанокапсулы (например, углеродные нанотрубки) с биоактивными реагентами, которые в «запаянном» состоянии безопасны для организма. Препарат рассасывается по организму, сонолюминесценция раскрывает капсулы и в заданной точке организма и в течение заданного промежутка времени проводит химическую реакцию. Разумеется, механизм сонолюминисценции (сверхслабого свечения жидкостей под действием ультразвука) до конца не раскрыт, однако в течение последнего времени в Нижнем Новгороде это явление успешно применяется в некоторых практических приложениях. Так, например, исследования сонолюминисценции такой биологической жидкости, как плазма крови, показала, что это физическое явление может с успехом применяться в области медицинской диагностики [7-9]. Подобные исследования были проведены в рамках научно- исследовательских работ Чернова В. В. и др. Частоты возбуждения сонолюминесценции, использованные в экспериментах составляли 350кГц, 530кГц, 780кГц, а интенсивность звуковой волны поддерживалась постоянной. Применявшаяся в экспериментах электрическая мощность составляла не более 10ватт. В опытах применялся фотоумножитель типа ФЭУ-140, работающий в одноэлектронном режиме. Область спектральной чувствительности фотоумножителя составляла 300–700нм. Количество исследуемой плазмы крови не превышало 1,5мл. Все эксперименты проводились при постоянных внешних условиях. Анализ образцов крови у пациентов производился из вены натощак. У более чем 8000 пациентов с такими заболеваниями, как рак, СПИД, туберкулез и т.д. были произведены измерения СЛ. Последние показали, сильное различие интенсивности СЛ во времени для образцов плазмы с вышеперечисленными заболеваниями и для образцов плазмы от условно здоровых людей. Для последней группы интенсивность сонолюминесцентного оказывается значительно выше. У больных раком отмечен самый низкий уровень СЛ свечения. Изучены результаты свечения плазмы крови для больных туберкулезом- у 465 человек: 395 больных и 70 здоровых (контрольная группа), с целью отлаживания дифференциальной диагностики и определения степени активности процесса туберкулёзного заболевания. В ходе полученных исследований был получен нормированный интегральный показатель сонолюминисценции. Кн сонолюминисценции определён у 347 пульмонологических больных, в числе которых было 171 с туберкулёзом, 107 с саркоидозом и 69 с раком лёгкого, с целью дифференциальной диагностики. В контрольную группу вошло 70 здоровых студентов-медиков. У 91% больных туберкулёзом, у 87% саркоидозом и у 85% больных раком лёгкого интегральный показатель свечения плазмы крови оказался информативен. Проведено изучение ультразвукового свечения плазмы крови с целью определения активности туберкулёзного процесса также у 58 детей, 30 из них были поражены активным туберкулёзом органов дыхания, 7 с посттуберкулёзными изменениями, 11 с нетуберкулёзными заболеваниями и 10 – здоровые тубинфицированные дети (контрольная группа). Кн сонолюминисценции оказался достоверно различен у 72–80% детей этих 4 групп. У 82% детей с активным туберкулёзом органов дыхания при лечении по мере стихания туберкулёзного процесса отмечалось нарастание Кн до значений, определяемых у здоровых тубинфицированных детей. Итак в ходе исследований было выяснено, что метод СЛ плазмы крови может применяться при различных формах заболеваний с пониженным иммунитетом. Быстрота проведения анализа и отсутствие дорогостоящих био- и химических препаратов позволяет широко использовать это физическое явление для формирования групп риска с последующим тщательным наблюдением методами традиционной медицины. Хотелось бы заметить, что этот экспресс-метод может иметь очень большое значение с внедрением страховой медицины.
Эхоконтрастные средства: возможности применения в клинике
Впервые применение ультразвукового (УЗ) контрастного вещества было описано в конце 60-х годов R.Gramiak и P.M.Shah [10,11]. В последующие годы появились не только новые эхоконтрасты, но и новые поколения УЗ диагностической техники - высокоразрешающей аппаратуры с блоками цветного допплеровского картирования, которые позволяют лоцировать ткани на глубину до 25 см с определением кровотока по артериям и венам диаметром до 2 мм. В трудных клинических случаях эхоконтрастирование помогает адекватно визуализировать структуры и точно поставить диагноз[12,13].
Эхоконтрасты разделяют на внутрисосудистые, органоспецифичные и внесосудистые. Внутрисосудистые эхоконтрасты в свою очередь подразделяются на проходящие через микроциркуляторное русло или стабильные (Альбунекс, Левовист, Эхожен), нестабильные и не проходящие через легочные капилляры (Эховист) [12]. По физико-химическим свойствам эхоконтрастные препараты также отличаются друг от друга. Так, Альбунекс содержит микропузырьки газа в оболочке сывороточного человеческого альбумина, Левовист (SHU 508 A, Шеринг, Германия)-микропузырьки газа с галактозой, стабилизированные пальмитиновой кислотой, Эховист (SHU454, Шеринг, Германия)-простые микропузырьки с галактозой, Эхожен-жидкое вещество, выделяющее микропузырьки после введения в кровоток [14]. Органоспецифические эхоконтраксты находятся в стадии изучения. К ним относится, например, этиловый эфир йоддипамида, который после внутривенного введения проходит через капилляры и захватывается купферовскими клетками. Таким же механизмом обладает и перфторуглерод (Имаджент), который повышает эхогенность крови, а затем здоровой ткани печени [15,16]. Ткани тела и ультразвук вступают в один из трех видов взаимодействия: поглощение, отражение или преломление. Ультразвуковые контрастные вещества изменяют какой-либо из этих трех параметров и, влияя на скорость распространения ультразвука, увеличивают число отражаемых поверхностей, которые, в свою очередь, регистрируются ультразвуковым датчиком. За счет этого в исследуемой области происходит усиление допплеровского эхосигнала по сравнению с сигналом, отражаемым окружающими тканями.
Введение эхоконтраста повышает эхогенные свойства крови, а также ее способность к обратному рассеянию эхосигнала, за счет чего повышается и качество отношения “сигнал-шум” на записях кривой кровотока. Наличие микрочастиц (обычно это пузырьки газа) в контрастных препаратах обеспечивает эхоусиливающий эффект за счет рассеивания энергии ультразвука в разных направлениях[13,14]. Возрастание акустического обратного рассеяния ведет к увеличению силы эхосигнала, регистрируемого от кровотока и изображения тканей в режиме серой шкалы [15]. В настоящее время разработчики эхоконтрастов стоят перед проблемой: создания наиболее эхоусиливающих и наименее токсичных сред. Токсичность напрямую зависит от биохимического состава, осмолярности и вязкости вещества, поэтому большинство разрешенных для клинического применения эхоконтрастов содержат бионейтральные, метаболизированные и легко выводимые агенты с осмолярностью ниже, чем у рентгеноконтрастных средств. Что касается повышения эхоусиливающих свойств контрастов, то теоретически любая из пяти сред (несвязанные газовые пузырьки, инкапсулированные газовые пузырьки, коллоидные суспензии, эмульсии и водные растворы) может способствовать достижению указанной цели. Однако сегодня компонетами любого эффективного эхоусиливающего препарата являются свободные и инкапсулированные газовые пузырьки. Контрастирование в настоящее время используется для решения различных диагностических задач в гинекологии (для исследования проходимости маточных труб), кардиологии (при выявлении сердечных сбросов справа налево), урологии (при определении везикоуретрального рефлекса, кровоснабжения почечных артерий), онкологии (при определении кровоснабжения опухолей), нейрохирургии и неврологии (при определении кровотока в сонных, интракраниальных, средних мозговых артериях), для выявления тромбоза вен, при исследовании кровотока в периферических артериях. К недостаткам эхоконтрастного исследования следует отнести, прежде всего, возможные, хотя и незначительные, аллергические реакции, вегетативные дисфункции, избыточное цветовое засвечивание экрана в месте попадания контраста и, конечно, значительную стоимость препарата. Вместе с тем очевидны и перспективы использования эхоконтрастных средств. Это возможность изучения перфузии органов, дифференцировки здоровых и патологически измененных тканей, изучение функции, измерерние температуры в тканях и органах и многое другое. На этом пути предстоит решить ряд задач, а именно: разработать экономичные, нетоксичные, долгоживущие внутрисосудистые препараты, программное обеспечение для трехмерной реконструкции исследуемого органа, создать органо – и клеточнозависимые контрасты и т.д.
Список литературы
[1]. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. С англ. / Под ред. К.Хилла.- М.: Мир, 1989.
[2]. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М.: Высш. шк., 1996.
[3]. Корнеев Ю.А., Коршунов А.П., Погадаев В.И. Медицинская и биологическая физика. М.: Наука, 2001.
[4]. Ультразвук: Маленькая энциклопедия. М.:Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.
[5]. Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии. – М.: Изд. МГТУ им Н.Э.Баумана, 2005, 224 с.
[6]. Физика визуализаций изображений в медицине. / Под ред. С.Уэбба. - М.: Мир, 1991.
[7]. Горский С.М., Карев И.Д., Терентьев И.Г., Чернов В.В. //Акустический журнал. 1989. Т.35,№2. С.364.
[8]. Горский С.М., Карев И.Д., Терентьев И.Г., Чернов В.В. //Вопросы онкологии. 1990. Т.36,№ 1. С.29.
[9]. Горский С.М., Зезина Т.В., Карев И.Д., Терентьев И.Г., Чернов В.В. //Хирургия. 1991. № 4. С.65.
[10]. Sonographic evaluation of the bladder neck in continent and stress-incontinent women/ Obstet. Gynecol.- 1999.- Vol. 93, N 3.- 412-416.
[11]. Cennamo G., Rosa N. In vitro evaluation of anew echographic contrast agent/ Ophthalmologica.- 1998.-Vol. 212(Suppl. 1).- P. 85-88.
[12]. Dalecki D., Raeman C.H., Child S.Z., Cox C. Hemolysis in vivo from exposure to pulse ultrasound/Ultrasound in medicine and Biology.- 1997.- Vol. 23, N2.- P. 307-313.
[13]. Skyba D.M., Camarano G., Goodman N.C. Hemodynamic characteristics, myocardial kinetics and microvascular rheology of FS-069, a second genenration echocardiographic contrast agent capable of producing myocardial opacification from a venous injection/J.of the American College of Cardiology.- 1996.- Vol. 28, N5.- P. 1292-1300.
[14]. Miller D.L., Thomas R.M. Ultrasound contrast agents nuclate inertial cavitation in vitro/Ultrasound in med. And Biol.- 1995.- Vol. 21, N 8.- P. 1059-1065.
[15]. Christiansen C. Lack of immune response to Albunex, a new ultrasound contrast agent based on air-filled albumin microspheres/Int. Arch. of Allergy and immunol.- 1994.- Vol. 104, N 4.- P. 372-378.
[16]. Christiansen C. Physical and biochemical characterization of albunex/ Biotechnol. And Applied Biochem.- 1994.- Vol. 19 (Pt.3).- P. 307-320.
Резонансные эффекты.