Главная > СВЧ, ультразвук, аккустика > Применение ультразвука в медицине: Физические основы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

12.2.4. КОНТРОЛЬ КАВИТАЦИИ

Существует несколько методов, пригодных для контроля активности кавитации в жидкости. Они делятся на три основных класса, а именно измерение акустического излучения от кавитирующей среды, анализ химических реакций, инициируемых в среде, и прямое наблюдение пузырьков. Обсуждение здесь ограничено методами, пригодными для контроля кавитации в биологических системах.

12.2.4.1. Акустическое излучение

Кавитационные пузырьки действуют как вторичные источники звука, излучение которых можно контролировать и анализировать. Гидрофон в окрестности кавитационной области может принимать акустические сигналы, которые затем подаются на спектроанализатор или частотные фильтры, чтобы выделить характерные частоты. При низких, подпороговых интенсивностях принимается сигнал только основной частоты При увеличении интенсивности спектр акустического излучения от среды становится более сложным.

Субгармоника . Эше [34] впервые описал излучение субгармоники от кавитационных пузырьков. Сейчас это стало общепринятым индикатором активности пузырьков. Механизм

излучения субгармоники широко обсуждался, но до сих пор не понят до конца [13, 31, 73, 97 - 100, 129].

Нерегулярное излучение субгармоники обнаруживается и при стабильной кавитации. В работе [100] обсуждался возможный механизм этого явления. Частота колебаний поверхности пузырька может оказаться равной половине вынуждающей частоты, но слабая связь этих колебаний с жидкостью означает, что они могут регистрироваться только датчиком, находящимся на поверхности пузырька. Пузырьки, размеры которых равны резонансному на частоте субгармоники, могут излучать сигнал на своей собственной частоте. Неппирас [97] показал, что пороговая интенсивность при этом будет ниже порога нестационарной кавитации. При некоторых условиях в сильно сжимаемой, нелинейной жидкости сигнал частоты может быть обнаружен вследствие параметрического излучения и в отсутствие кавитации [128], но маловероятно, чтобы он достиг заметной величины на фоне кавитационных пузырьков.

Как только интенсивность ультразвука превышает порог нестационарной кавитации, амплитуда субгармонического сигнала стремительно возрастает. При таких интенсивностях субгармоника может излучаться пузырьками, у которых время жизни до схлопывания длится два периода акустического поля. Амплитуда субгармонического сигнала достигает плато при увеличении интенсивности звукового пучка (см. рис. 12.9, а).

Мортон с соавт. [93] показали, что степень биологических повреждений в клетках, облученных in vitro, хорошо коррелирует с полной энергией субгармоники, принимаемой от образцов во время облучения ультразвуком. Это один из очень немногочисленных примеров, демонстрирующих, что акустическая величина может количественно предсказать биологические изменения.

Другие гармоники. При стабильной кавитации наиболее заметна вторая гармоника Также наблюдаются ультрагармоники частот

При достижении и превышении порога нестационарной кавитации уровень принимаемых субгармоник и высших гармоник возрастает. Вторая гармоника остается наибольшей из них, но также становится заметной ультрагармоника Неппирас и Коукли [102] предположили, что ее появление может быть обусловлено взаимодействием между сигналом основной частоты и субгармоникой В работах [100, 102] также отмечено появление субгармоники Вероятно, механизм ее излучения тот же, что и механизм субгармоники

Рис. 12.9а. Зависимость уровня кавитации от интенсивности ультразвука для дегазированной и недегазированной воды. Показаны амплитуда субгармонической компоненты и выход иода [64]. I — Амплитуда субгармоники: 1 — дегазированная вода, 2 — недегазированная вода; II — выход иода.

Рис. 12.96. Зависимость акустического излучения кавитационной области от тока возбуждения излучателя при исследовании в свежезалитой, насыщенной воздухом воде [99]. Показаны амплитуды основного тона, субгармоники и белого шума.

Белый шум. При возникновении кавитационной активности в ультразвуковом поле уровень белого шума, т. е. сигнала с непрерывным спектром в широкой полосе частот, возрастает. При достижении порога нестационарной кавитации уровень белого шума стремительно увеличивается и при дальнейшем увеличении интенсивности растет пропорционально амплитуде давления ультразвука, возбуждающего кавитацию [100] (см. рис. 12.9, б).

Баргер [3] обнаружил, что белый шум возникает при возбуждении поверхности пузырька. Неппирас и Коукли [102] также нашли, что белый шум излучается благодаря возмущениям, связанным с быстрыми перемещениями пузырьков в акустическом поле высокой интенсивности. Ударные волны, излучаемые захлопывающимися пузырьками при нестационарной кавитации, тоже вносят свой вклад в уровень шума.

За исключением случая субгармоники до сих пор не показана количественная связь между шумоизлучением и специфическими биологическими эффектами.

Рис. 12.9в. Влияние интенсивности ультразвука на амплитуду субгармоники и повреждение клеток: 1 — неповрежденные клетки; 2 — неразрушенные клетки (по пробе трипановым синим); 3 — выжившие клетки (эксперимент с клонированием). Видна корреляция между уровнем субгармоники и разрушением клеток [93].

12.2.4.2. Изменение импеданса

При образовании пузырьков в облучаемой жидкости изменяется и ее акустический импеданс, что может служить мерой активности кавитации. Акустический импеданс среды, в которой распространяется звук, можно определить, измеряя изменение электрического сигнала на преобразователе [102]. Это чувствительный метод контроля активности кавитации, исключающий возмущения ультразвукового поля введением какого-либо датчика. В высокоинтенсивном поле импеданс воды может уменьшаться по крайней мере на 60% [118]. При этом напряжение на выходе преобразователя становится частотно модулированным. Характерные частоты могут быть определены путем использования соответствующих фильтров.

Характер наблюдаемого гармонического и субгармонического сигнала подобен описанному в предыдущем разд. 12.2.4.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление