Как сфокусировать ультразвук кратко
Обновлено: 02.07.2024
Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй — механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, металлических наконечников и др.
13.4.1. ХИРУРГИЯ С ПОМОЩЬЮ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКА
Хирургическая техника, которая в перспективе могла бы заменить традиционный скальпель, должна обеспечивать воспроизводимость и управляемость разрушения тканей, воздействовать только на четко ограниченную область, быть быстродействующей и вызывать минимальные потери крови. Мощный фокусированный ультразвук обладает большинством из этих качеств. Фокальная область может иметь типичные размеры в ширину и в длину.
Возможность использования фокусированного ультразвука для создания зон поражения в глубине органа без разрушения вышележащих тканей изучено в основном в операциях на мозге. Именно здесь первоначально возникла необходимость в создании таких разрушений для нужд экспериментальной нейроанатомии. Воздействие осуществлялось и на другие органы: печень, спинной мозг, почки и глаз.
Как показано в гл. 2, фокусирование ультразвука может быть достигнуто многими способами (см. также [35]). Самый простой из них — это использование преобразователя, излучающая
поверхность которого по форме представляет собой сферическую вогнутую оболочку, изготовленную из пьезоэлектрического материала. Фокус такого излучателя лежит на его главной оси и располагается вблизи центра кривизны оболочки. Как следует из работ Коссоффа [54] и О’Нейла [70], распределение акустического поля такого излучателя может быть рассчитано. Используя подобные сферические излучатели, Робинсон и Лили [78], а также Уорвик и Понд [88] произвели в мозговой ткани у крыс и кошек разрушения в фокальной области.
Хотя таким способом можно получить нагреваемую область с четко очерченными границами, регулировать глубину зоны поражения в этом случае оказывается не просто. Используя плоский излучатель совместно с различными акустическими линзами, можно добиться изменения глубины области поражения. Так как акустические линзы обычно делаются из материала, имеющего скорость звука больше, чем в воде, то для создания сходящегося пучка необходимо изготовлять линзы вогнутыми (см. гл. 2).
Главное ограничение при использовании набора из таких линз накладывает поглощение ультразвука в материале самих линз. Оптимальная передача энергии осуществляется при условии, когда линзы и излучатель разделены четвертьволновым согласующим слоем. Такие комбинации излучателя с линзами применяли Линке с соавт. [65] при создании зон поражений в печени у крыс и кроликов и в почках у кроликов.
Фокальная область, используемая в ультразвуковой хирургии, по форме представляет собой эллипсоид вращения, вытянутый в направлении центральной оси звукового поля. Распределение давления вблизи фокуса имеет вид а ширина фокального пятна равна (ср. уравнение
где фокусное расстояние, а — радиус излучателя, а X - длина волны в ткани.
Для непоглощающей среды теория дифракции предсказывает, что только 84% энергии излучателя проходит через фокальную область [48]. Однако в ткани всегда имеется реальное поглощение, и эта доля становится еще меньше.
Точная форма любого разрушения зависит от облучаемой ткани. В однородной ткани очаг разрушения будет иметь приблизительно
форму эллипсоида. Однако в том случае, когда облучаемый участок состоит из тканей двух типов, один из которых менее чувствителен к ультразвуковому разрушению, то предсказать форму пораженной зоны непросто. Такое случается, например, при облучении мозга, где селективно может быть разрушено белое вещество, так как серое вещество и сосудистая система менее чувствительны к действию ультразвука [28]. Обилие сосудов в ткани также влияет на размеры очага разрушения.
Отношение длины эллипсоида к его ширине зависит от угла, под которым происходит облучение. Из уравнения (13.1) видно, что при увеличении частоты ультразвука ширина фокального пятна уменьшается при заданной величине поглощенной энергии. Коротко говоря, величина экспозиции разрушаемого объема ткани оказывается приблизительно пропорциональной количеству энергии, поглощенному в ткани [51].
Предпринималось несколько попыток, чтобы сравнить все имеющиеся данные по пороговым интенсивностям, при которых происходит разрушение тканей (см. например, [25, 27, 52, 63]). Было сделано эмпирическое предположение (по-видимому, без точной оценки степени его достоверности), что на графике зависимости интенсивности ультразвука от времени экспозиции, построенном в дважды логарифмическом масштабе, можно выделить три линейных участка. При интенсивностях звука меньше и времени экспозиции меньше по-видимому, работает кавитационный механизм [27], а в случае, когда время экспозиции превышает 1 с [63], а интенсивность звука меньше чем [25], вероятно, работает механизм теплового разрушения. В промежуточной области, показанной на рис. 13.4, механизм разрушения неясен. Порог кавитации, измеренный Гавриловым [31] по появлению субгармоники, согласуется с этой классификацией. По мнению Джонстона и Данна [52], по-видимому, существует порог интенсивности в области для времени экспозиции с. Для интенсивности и времени экспозиции, при которых в ткани наступают разрушения, было предложено следующее соотношение:
где с — слабая функция частоты и, возможно, исходной температуры ткани [13]. При попытке найти механизм развития разрушений было обнаружено, что пороговые кривые можно предсказать заранее, если считать, что связь между напряжением и деформацией в
Рис. 13.4. Диаграмма интенсивность — время воздействия, показывающая пороги разрушения тканей фокусированным ультразвуком (двойной логарифмический масштаб). Линия соответствует соотношению (см. текст). Выделены области с преобладающим влиянием кавитационного и теплового механизмов разрушений.
ткани нелинейна и существует гистерезис [52], и что ультразвук распространяется в ткани в виде плоской волны.
электронную плотность. Однако в мозге наиболее чувствительными оказываются синапсы и они разрушаются еще раньше [7, 22].
13.08.2014 22:58
дата обновления страницы
Приведем несколько наиболее занимательных и познавательных на мой взгляд статей из книги: Ультразвуковые процессы и аппараты в биологии и медицине". Учебное пособие для студентов специальности 190500, под редакцией профессора В.Н. Лясникова (СГТУ, Саратов 2005 г. тираж 100 экземпляров), данную книгу можно взять в городской библиотеке г. Саратова на ул. академика Зарубина и ознакомится с ней более подробно.
Фокусирование ультразвука может быть достигнуто несколькими способами. Самый простой из них - это использование преобразователя, излучающая поверхность которого по форме представляет собой сферическую вогнутую оболочку, изготовленную из пьезоэлектрического материала. Фокус такого излучателя лежит на его главной оси и располагается вблизи центра кривизны оболочки. Хотя таким способом можно получить нагреваемую область с четко очерченными границами, регулировать глубину зоны поражения в этом случае оказывается не просто.
Используя плоский излучатель совместно с различными акустическими линзами, можно добиться изменения глубины области поражения. Так как акустические линзы обычно делаются из материала, имеющего скорость звука больше, чем в воде, то для создания сходящегося пучка необходимо изготовлять линзы вогнутыми. Главное ограничение при использовании набора из таких линз накладывает поглощение ультразвука в материале самих линз. Оптимальная передача энергии осуществляется при условии, когда линзы и излучатель разделены четвертьволновым согласующим слоем.
Рис. 4.35. К определению длины экспоненциального концентратора
Рис. 4.3б,Схема возбуждения изгибных колебаний в длинном стержне
Фокальная область, используемая в ультразвуковой хирургии, по форме представляет собой эллипсоид вращения, вытянутый в направлении центральной оси звукового поля. Для непоглощающей среды теория дифракции предсказывает, что только 84% энергии излучателя проходит через фокальную область. Однако в ткани всегда имеется реальное поглощение, и эта доля становится еще меньше [29].
Точная форма любого разрушения зависит от облучаемой ткани. В однородной ткани очаг разрушения будет иметь приблизительно форму эллипсоида. Однако в том случае, когда облучаемый участок состоит из тканей двух типов, один из которых менее чувствителен к ультразвуковому разрушению, то предсказать форму пораженной зоны непросто. Такое случается, например, при облучении мозга, где селективно может быть разрушено белое вещество, так как серое вещество и сосудистая система менее чувствительны к действию ультразвука.
Отношение длины эллипсоида к его ширине зависит от угла, под которым происходит облучение. При увеличении частоты ультразвука ширина фокального пятна уменьшается при заданной величине поглощенной энергии [29 - 31]. Далее читайте здесь.
Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук (HIFU) – физический фактор, лежащий в основе метода локального воздействия на глубоко расположенные ткани организма человека.
История развития метода началась в СССР с разработок выдающихся советских акустиков: профессора Л. Д. Розенберга, его ближайшего соратника доктора физико-математических наук М. Г. Сиротюка.
Среди наиболее перспективных областей использования ультразвуковых фокусирующих систем оба исследователя видели медицину.
В настоящее время исследованиями возможностей применения фокусированного ультразвука высоких интенсивностей в медицине занимаются в мире десятки лабораторий, а число публикаций по этой тематике составляет несколько тысяч.
В 2001 году основано Международное общество по терапевтическому ультразвуку (International Society on Therapeutic Ultrasound, ISTU), которое объединило специалистов в этой области.
Биологическое действие высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (ВИФУЗ)
Одним из наиболее важных эффектов, определяющих биологическое действие ВИФУЗ в медицине, является тепловой. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в тканях организма и преобразованием ее в тепло. Акустическая интенсивность вблизи излучающего преобразователя достаточно низкая (ткани не повреждаются), в то время как в фокальной области интенсивность ультразвука больше, что дает возможность неинвазивного локального термического повреждения ткани (нагрев за счет поглощения волны достаточен для теплового разрушения белков) (рис. 1). Варьируя параметры ультразвукового воздействия (интенсивность, длительность воздействия), можно вызвать в фокальной области требуемый биологический эффект. Размер фокальной области сравним с длиной волны ультразвука и составляет доли миллиметра на частотах мегагерцового диапазона.
Рис. 1. Схема высокоинтенсивного ультразвукового воздействия на биологические ткани. Пучок интенсивного фокусированного ультразвука используется для локального термического разрушения участка ткани без повреждения окружающих структур. Акустическая энергия, излучаемая ультразвуковым преобразователем, концентрируется в фокальной области, имеющей крайне малый объем 1,13, 15
Также факторами, влияющими на биологическое действие ВИФУЗ, являются механические эффекты.
При использовании ультразвука все параметры (интенсивность, смещение, колебательная скорость, звуковое давление, ускорение) связаны между собой. Поэтому повышение интенсивности ультразвука при фиксированной частоте приводит к увеличению значений сразу всех параметров.
Терминология
Затухание – уменьшение интенсивности звуковой волны по мере ее распространения (за счет поглощения, отражения и рассеяния).
Акустическая интенсивность – то же, что интенсивность ультразвука.
Кавитация – образование и активность газовых или паровых пузырьков (полостей) в среде, облучаемой ультразвуком.
Фокальная область – область фокусирования ультразвука в ткани.
Воздействие высокоинтенсивного фокусированного ультразвука на мягкие ткани имеет свои особенности, определившие возможность его использования в эстетической медицине, – затухание ультразвука в мягких тканях относительно невелико. Это позволяет сфокусировать энергию в глубоко расположенных участках, не оказывая существенного влияния на ткани по пути прохождения ультразвука до фокальной области.
Исследованиям процессов затухания в мягких тканях посвящены работы О, Брайена 12 , команд К. А. Дамианоу 6 , Л.Р . Кларка 14 .
Суть метода отражается в определении фракционный неабляционный неселективный термолиз (HIFU).
- Фракционный – повреждение в виде микротермальных зон.
- Неабляционный – отсутствует повреждение эпидермиса.
- Неселективный – не избирателен к тканям, на которые оказывается воздействие (потенциально повреждаемым).
- Термолиз – термическое повреждение (разрушение) тканей.
Применение высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука в косметологии
Таблица 1. Ткани-мишени и оказываемое на них воздействие посредством высокоинтенсивного ультразвука
| Ткани-мишени | Воздействие |
| Мышечно-апоневротический слой (SMAS) | Фракционная коагуляция |
| Гиподерма | Фракционный липолиз – адипоцитолиз (механизм – некроз) |
| Дерма (сетчатый слой) | Фракционный термолиз (фракционное воздействие) |
Клинические примеры
Коррекция возрастных изменений при смешанном морфотипе старения (с преобладанием отечного/деформационного компонента) требует комплексного подхода. Суть его заключается в воздействии на все измененные анатомические структуры (связочный аппарата, жировые пакеты, дерма, эпидермис). С этой целью применяются инъекционные, аппаратные, мануальные методики и/или их комбинации.
Пациент 1
Пациентка, 65 лет, смешанный морфотип старения с преобладанием деформационных изменений.
Цель использования метода HIFU-терапии: компактизация тканей лица, уменьшение объемов и площади обработанных областей.
Протокол: лицо полностью, включая подчелюстную область.
До
Через 6 месяцев после
Пациент 2
Цель использования метода HIFU терапии: компактизация тканей лица, уменьшение объемов и уплотнение тканей обработанных областей – черты лица приобрели утонченность.
Протокол: лицо полностью, включая подчелюстную область.
До
Через 3 месяца после
Пациент 3
Пациентка, 38 лет, усталый морфотип.
Цель использования метода HIFU терапии: компактизация и перемещение тканей лица, уменьшение объемов и площади обработанных областей.
Протокол: лицо полностью, включая подчелюстную область.
До
Через 3 месяца после
Выводы
В настоящее время возникла необходимость смены парадигмы восприятия определения технологии воздействия высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука, используемого в косметологии.
Речь идет о сложившейся стереотипной модели понимания технологии HIFU как о SMAS-лифтинге. Такое определение некорректно относительно возможности метода, так как не раскрывает полностью суть технологии и, соответственно, возможности действия.
Накопленный опыт применения технологии HIFU в косметологии позволяет обоснованно сменить существующее восприятие метода на оптимальное, позволяющее в полной мере описать суть технологии. Таким образом, возможен переход определения от SMAS-лифтинга к фракционному неабляционному неселективному термолизу.
Концентрация ультразвуковой энергии может быть достигнута разными способами, например с помощью линз, аналогично фокусировке света; путем направления нескольких ультразвуковых пучков в одну область одновременно или последовательно — перемещением одного излучателя под разными углами к заданной области, наподобие того, как направляются рентгеновские лучи при томографии.
В последние годы часто применяются фокусирующие преобразователи (излучатели ультразвука), выполненные на основе пьезокерамики и представляющие собой по форме часть сферы. Частота излучаемого ультразвука равна собственной резонансной частоте пьезокерамической пластинки. Когда на пластинку подают переменный ток резонансной частоты, то она колеблется в поперечном направлении, преобразуя электрический ток в механические колебания — ультразвук. Наибольшая концентрация ультразвуковой энергии достигается в центре кривизны излучателя, на расстоянии от пластинки, равном радиусу кривизны. Место наибольшей концентрации энергии принято называть фокальной областью. Размеры фокальной области излучателя зависят от частоты резонансных колебаний пьезокерамической пластинки и некоторых его конструктивных особенностей, в частности от так называемого угла раскрытия (рис. 14). Чем выше частота и больше угол раскрытия излучателя, тем меньше размеры фокальной области. Интенсивность ультразвука зависит от свойств пьезокерамической пластинки и мощности генератора, подающего на пластинку переменный ток.
Рис. 14. Геометрические характеристики сферического излучателя ультразвука.
R — радиус излучателя, F — фокусное расстояние, h — глубина, ?m — угол раскрытия, r0 и l — соответственно поперечный радиус и продольная длина фокальной области.
Приборы, имевшиеся в нашем распоряжении, обеспечивали интенсивность ультразвука, осредненную по площади наибольшего поперечного сечения фокальной области, от долей до нескольких тысяч Вт/см 2 . Как правило, каждый излучатель питался от генератора, настроенного на резонансную частоту пьезокерамической пластинки. Кроме того, имелись генераторы с несколькими излучателями. Перестройка на нужный излучатель достигалась сменой отдельных блоков и дополнительной подстройкой резонансного контура. Например, одним генератором можно было осуществлять работу на трех излучателях с резонансными частотами 0.48, 0.887 и 2.67 МГц.
Для обеспечения перемещений фокальной области излучателя в объекте и минимальных потерь энергии по пути распространения ультразвуковых колебаний между пьезокерамической пластинкой и объектом помещается согласующая среда. В качестве одной из наиболее приемлемых и доступных сред используется вода. Ультразвук распространяется в воде с минимальным затуханием. Чтобы еще уменьшить потери акустической энергии, в частности из-за возникновения кавитации, вода должна быть максимально гомогенной. Наиболее частая причина нарушения гомогенности воды — выделение мельчайших пузырьков газа. Пузырьки вызывают увеличение поглощения и рассеяния ультразвука, способствуют возникновению кавитационных эффектов, которые заключаются в образовании быстро захлопывающихся паро-газов микрополостей и возникновении длительно существующих и стабильных газовых пузырьков, колеблющихся с частотой ультразвука. Для уменьшения возможности появления пузырьков воду дегазируют. Можно пользоваться и дистиллированной водой в тех случаях, когда она собирается из дистиллятора в сосуд без доступа воздуха. Пригодность воды для использования в качестве акустически согласующей среды легко проверить, пропустив через воду ультразвук заведомо большей интенсивности, чем будет использоваться в дальнейшем. При этом в сосуде не должно появляться видимых глазом мельчайших пузырьков (дегазации жидкости).
Как практически осуществляют воздействие ультразвуком на объект через воду? В зависимости от задач исследования и особенностей конкретной методики объект, например рука обследуемого, и фокусирующий ультразвук излучатель могут быть размещены в резервуаре с водой. При этом руку можно перемещать относительно фиксированного излучателя или излучатель — относительно неподвижной руки. В таких условиях существует максимум возможностей для изменения места расположения фокальной области излучателя как на коже, так и в глубине руки.
Для увеличения точности локализации фокальной области излучатель перемещают относительно объекта с помощью специального координатного устройства. Иногда нет необходимости менять расстояние центра фокальной области относительно поверхности объекта. В таких случаях излучатель можно не погружать в воду, а, напротив, заливать воду в корпус излучателя. При этом часть корпуса, контактирующую с объектом, удобно выполнить в виде конуса, на открытом конце которого натянута тонкая, акустически прозрачная, например полиэтиленовая, пленка. В широкой части корпуса вода соприкасается непосредственно с пьезокерамической пластинкой, а в узкой части — с объектом (рис. 15). Для лучшего акустического контакта пленки с объектом, например с кожей, пленка и кожа смазываются вазелином. При необходимости изменить место расположения фокальной области конус заменяют на другой с большей или меньшей площадью сечения, прилегающего к объекту. При этом соответственно изменяется расположение фокальной области. Тех же результатов можно достигнуть, пользуясь излучателями, в которых пьезокерамическую пластинку можно перемещать внутри корпуса излучателя. Увеличение количества возможных перемещений фокальной области достигается в излучателях, конструктивно совмещающих особенности указанных двух типов, т. е. со сменными конусами и подвижной пьезокерамической пластинкой (рис. 15).
Рис. 15. Фокусирующие излучатели разных типов.
А — излучатель со сменным конусом и съемным указателем центра фокальной области, Б — с перемещающейся внутри корпуса пьезокерамической пластинкой, В — со сменным конусом, съемным указателем и перемещающейся пьезокерамической пластинкой. Вода внутри корпуса излучателей ограничена акустически прозрачной пленкой. Точкой на пленке обозначено место прохождения акустической оси излучателя.
В экспериментах с мелкими объектами, например с изолированными механорецепторами — тельцами Пачини, последние помещают в камеру, отделенную от резервуара с водой, где расположен ультразвуковой излучатель, акустически прозрачной пленкой. Камеру можно перемещать ближе или дальше по отношению к излучателю. Как правило, ее заполняют специальным водным раствором — для поддержания жизнедеятельности объекта во время опыта.
Профессиональные диагностические инструменты. Оценка эластичности тканей, расширенные возможности 3D/4D/5D сканирования, классификатор BI-RADS, опции для экспертных кардиологических исследований.
Основные принципы метода и физические характеристики
Ультразвук - высокочастотные колебания, лежащие в диапазоне выше полосы частот, воспринимаемых человеческим ухом (более 20 000 Гц). Излученные в тело пациента, ультразвуковые колебания отражаются от исследуемых тканей, крови, а также поверхностей, таких как границы между органами, и, возвращаясь в ультразвуковой сканер, обрабатываются и измеряются после их предварительной задержки для получения фокусированного изображения. Результирующие данные поступают на экран монитора, позволяя производить оценку состояния внутренних органов. Даже несмотря на то, что ультразвук не может эффективно проникать через такие среды как воздух или другие газы, а также кости, он находит широкое применение при исследовании мягких тканей. Использование ультразвуковых гелей и других жидкостей одновременно с улучшением характеристик датчиков, увеличивает области применения ультразвуковых сканеров для различных медицинских обследований.
Скорость ультразвуковых волн в мягких тканях тела человека в среднем составляет 1,540 м/сек и практически не зависит от частоты. Датчик является одним из основных компонентов диагностических систем, который конвертирует электрические сигналы в ультразвуковые колебания и производит электрические сигналы, получая отраженное эхо от внутренних тканей пациента. Идеальный датчик должен быть эффективен как излучатель и чувствителен как приемник, иметь хорошие характеристики излучаемых им импульсов со строго определенными показателями, а также принимать широкий диапазон частот, отраженных от исследуемых тканей.
В электронных датчиках ультразвуковые колебания возбуждаются благодаря подаче высоковольтных импульсов на пьезо-кристалы, из которых состоит датчик (пьезоэлектрический эффект был открыт Пьером и Марией Кьюри в 1880 году). Количество раз, сколько кристалл вибрирует за секунду, определяет частоту датчика. С увеличением частоты уменьшается длина волны генерируемых колебаний, что отражается на улучшении разрешения, однако, поглощение ультразвуковых колебаний тканями тела пропорционально возрастанию частоты, что влечет за собой уменьшение глубины проникновения. Поэтому датчики с высокой частотой колебаний обеспечивают лучшее разрешение изображения при исследовании не глубоко расположенных тканей, так же как низкочастотные датчики позволяют обследовать более глубоко расположенные органы, уступая высокочастотным качеством изображения. Это разногласие является основным определяющим фактором при использовании датчиков.
В ежедневной клинической практике применяются различные конструкции датчиков, представляющие собой диски с одним элементом, а также объединяющие несколько элементов, расположенных по окружности или вдоль длины датчика, производящие различные форматы изображения, которые необходимы или предпочтительны при проведении диагностики различных органов.
Читайте также: