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

12.4. Некавитационные источники сдвиговых напряжений

Для изучения влияния акустических течений и связанных с ними сдвиговых напряжений и градиентов скоростей, подобных тем, что возникают вокруг стабильных осциллирующих пузырьков, было сконструировано несколько различных аппликаторов, предназначенных для создания вибраций в локальных точках. Наиболее часто для этих целей применяются колеблющаяся игла иди проволочка.

Дайер и Найборг [25, 110] использовали тонкую проволочку с острием размером до возбуждаемую продольно на частоте около 25 кГц, для изучения акустических течений в растительных клетках. Проволочка прижимается к внешней стороне клеточной стенки. При различных амплитудах вибраций наблюдаются разные эффекты. В одном из экспериментов [26] было найдено, что при амплитудах вибраций наблюдаются слабые, но четко определенные движения в цитоплазме, при амплитудах наблюдаются упорядоченные и довольно быстрые потоки, а при амплитудах выше хаотические быстрые движения, которые приводят к разрушениям клеток. Подобные эффекты наблюдаются, когда острие проволочки расположено не далее от клеточных стенок.

Качественно сходные результаты получили Вильсон с соавт. [138], возбуждая акустические течения в зародышевых клетках морских беспозвоночных. В этом эксперименте облучение ультразвуком частотой 85 кГц проводилось с помощью ступенчатого экспоненциального преобразователя. Дайер и Найборг [26] обсудили биофизику эффектов, возникающих при использовании этих устройств. Приведены описания вихрей, наблюдаемых в жидкости, а также скопление частиц и их вращение (см. разд. 12.5).

Вильямс с соавт. [134, 136] использовали поперечно колеблющуюся проволочку (диаметр частота 20 кГц) для определения

сдвиговых напряжений, достаточных для гемолиза красных кровяных телец в суспензии. Было установлено, что пороговое значение составляло что соответствовало амплитуде вибраций Когда такая проволочка, вибрирующая с амплитудой более касалась кровеносного сосуда in vivo, в нем возникало скопление тромбоцитов [135]. При амплитудах в интервале иногда наблюдались тромбоциты, прилипшие к эндотелиальной поверхности сосуда. В работе [19] использовалась подобная система для исследования воздействия на лейкоциты в плазме крови собаки. Показано, что пороговые сдвиговые напряжения для разрушения лейкоцитов ниже, чем для эритроцитов.

Хотя колеблющиеся иглы и проволочки представляют собой хорошую модель осцилляций стабильных пузырьков, было бы еще более полезно использовать реальные пузырьки. Главной проблемой является стабилизация резонансных пузырьков в ультразвуковом поле. Руни [115] преодолел эту проблему путем стабилизации полусферического пузырька на конце трубки диаметром возбуждаемой на частоте Было показано, что пороговое напряжение для гемолиза эритроцитов в суспензии составляет приблизительно или Это хорошо согласуется с результатом работы Вильямса [134], полученным с помощью колеблющейся проволочки.

Притчард с соавт. [114] исследовали повреждения ДНК в растворе. Макромолекулы облучались с помощью пластины, возбуждаемой на частоте в которой были насверлены отверстия диаметром что приблизительно равно диаметру резонансных воздушных пузырьков в воде на этой частоте. На отверстиях происходила стабилизация осциллирующих пузырьков, вызывающих повреждение ДНК.

Была также исследована активность пузырьков в мегагерцевом диапазоне частот. Миллер с соавт. [88] описали систему, в которой фильтр с гидрофобным покрытием и отверстиями диаметром от 0,1 до облучался в суспензии клеток. В работе [87] эти же исследователи так описывают движение тромбоцитов:

«1. Частицы вблизи отверстия движутся к нему, скорость этого движения нарастает тем быстрее, чем ближе частица к центру. Часто наблюдаются небольшие агрегаты частиц вблизи отверстий после кратковременного непрерывного облучения. Движение тромбоцитов обусловлено действием радиационного давления.

2. Частицы вблизи отверстия увлекаются акустическим течением, подобно тому, как это происходит вблизи газовых пузырьков

в низкочастотном поле. Когда биологический объект, например тромбоцит, вовлекается в такое движение, он может подвергнуться воздействию относительно высоких напряжений и получить повреждения, если попадет в область пограничного слоя вблизи отверстия.

3. Частицы или клетки, собиравшиеся вблизи отверстия, могут плавно вращаться или двигаться нерегулярным образом. Если частицы не очень симметричны, как, например, эритроциты, имеющие форму диска, то у них возникает определенная ориентация, которую они стремятся сохранить. Если несколько эритроцитов собирается около одного и того же отверстия, то они взаимодействуют сложным образом, демонстрируя интересные сочетания вращений и ориентаций».

Эти авторы сделали вывод, что пороговая интенсивность для агрегации тромбоцитов лежит в интервале на частоте 1 МГц. Вильямс и Миллер [137] продемонстрировали выделение АТФ (наводящее на мысль о повреждении мембран) из эритроцитов, облученных ультразвуком с пиковой по пространству интенсивностью на частоте 6 МГц.

Такие эксперименты показывают, что существование стабильных осциллирующих пузырьков может приводить в некоторых случаях к повреждению и разрушению биологических структур подобно тому, как это происходит при кавитации в объеме жидкости. Исследования биологических эффектов в подобных искусственных условиях позволяет вычленить конкретные механизмы действия, которые нельзя было изучать в более сложной системе.

С теоретической точки зрения весьма интересно выявить факты резонансного усиления эффективности воздействия ультразвука на отдельных частотах основного тона или его модуляции. Такие публикации редки, но имеется интересное сообщение Сарвазяна с соавт. [122], в котором сообщается об эффектах повреждения эмбрионов амфибий явно нетепловой и некавитационной природы, причем эффекты были максимальны при частотах повторения импульсов 10—20 и 110—130 Гц соответственно для двух различных препаратов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление