Воздействие ультразвука на биологические среды

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ

Цель работы: Изучение механизмов взаимодействия ультразвуковых волн с биологическими объектами.

Ультразвук находит широкое применив в современных медицинских приборах и аппаратах начиная с ультразвуковых диагностических сканеров и кончая устройствами терапевтического и хирургического назначения. Целенаправленная разработка и использование такого рода приборов невоз­можны без детального исследования возможных механизмов воздействия уль­тразвуковых колебаний на биологические среды, биологические ткани, отдельные органы и целостный организм. Наиболее исследованными являются следующие механизмы взаимодействия ультразвука с биосредой:

1. Неспецифическое тепловое воздействие, связанное с преобразованием поглощаемой биосредами акустической энергии в тепловую энергию хаоти­ческого молекулярного движения. В этом случае величина тепловыделения зависит от интенсивности ультразвуковой волны J, коэффициента поглоще­ния ультразвука a, определяющего уменьшение амплитуды А волны при еe распространении в безграничной среде, а также от соотношения характер­ных размеров биообъекта d длины l ультразвуковой волны. Для плоской ультразвуковой волны в случае l<< d скорость повышения температуры био­среды / dT/dt / можно оценить по формуле:

(1)

где r - плотность среды, С_m - удельная теплоемкость. Так как коэффици­ент поглощения ультразвука возрастает с частотой, максимальное влияние теплового эффекта следует ожидать в области достаточно высоких частот /более 1 МГц/.

2. Акустические течения - макроскопические потоки вещества, являющиеся следствием нелинейных эффектов при распространении ультразвуковой вол­ны. Экспериментально акустические течения проявляются в интегральном переносе вещества и могут наблюдаться при воздействии на биосреду уль­тразвука достаточно высокой интенсивности. При этом, если средой явля­ется биологическая ткань, то акустические потоки могут возникать как в межклеточной среде, так и внутри клетки. Наличие акустических течений существенно влияет на обмен веществ между клеткой и окружающей сре­дой, в частности они способны ускорять процессы диффузии лекарственных веществ в мышечную ткань, что широко используется в медицине /явления фонофореза/.

3. Кавитация - нарушение сплошности среды /возникновение кавитационных полостей/ под действием мощного ультразвука. Кавитация сопровождается появлением кавитационных пузырьков и шумовым эффектом /аналог - процесс кипения/. В области образования кавитационных пузырьков возникают значительные напряжения и ударные волны, способные оказывать разрушающее воздействиена клетки и биологическиеткани. Данный эффект используют,например,в нейрохирургии. Кавитация является принципиальнонелинейным эффектом и возникаетпри пороговых интенсивностях ультразвука I_n, зависящих от свойствсреды (вязкости, плотности, коэффициента поверхностногонатяжения, дисперсности), а также от внешних параметров (температуры и давления). Для многих жидкостейдавление Р_n, соответствующее порогу кавитации можно рассчитать из следующей приближенной формулы:

(2)

где s - коэффициент поверхностногонатяжения,Р_г – давление газа, k - постоянная Больцмана.

Для биологических сред, являющихся существенно гетерогенными, навигационные эффекты могут проявляться в разрушении пространственных образований(например, клеток) ивозникновении мелкодисперсных эмульсий.

Целью работы являетсяизучение нелинейных ультразвуковых эффектов, имеющих местопри воздействии ультразвука на биологические среды.

Часть I. Определение параметров ультразвукового поля в биоло­гической среде

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с инструкцией к ультразвуковому терапевтическомуприбору, используемому в качествеисточника мощногоультразвука. Подготовить прибор к работе. ВНИМАНИЕ!Запрещается включать прибор без разрешения преподавателя.

2. Измерьте амплитуду ультразвуковых колебаний на частоте f=40 кГц.

Для этого:

2.1. Поместите торец концентратора в полезрения микроскопа.

2.2. Включите тумблер "сеть" на панели прибора.

2.3. Включите магнитостриктор, нажавкнопку соответствувщего канала. ВНИМАНИЕ! Продолжительность включения магнитостриктора - не более 1 мин., после чего отключить его нажатием кнопки "СБРО С".

2.4. Определить размер размытой полосы, соответствующей области колебаний торца концентратора, полуширина этой волосы равна амплитуде ультразвуковых колебаний.

2.5. По полученным значениям амплитуды колебаний рассчитать амплитуду колебательной скорости V₀ = . Рассчитать амплитуду акус­тического давления Р₀ вблизи поверхности концентратора по формуле:

(3)

для воздуха и воды (r - плотность среды, С – скорость ультразвука).

2.6. Рассчитать значения интенсивности ультразвука до формуле:

(4)

2.7. Определить общую мощность N, излучаемую концентратором в водную среду по известным значениям интенсивности звука и пло­щади S излучающей поверхности концентратора (диаметр торца концен­тратора D = 3,6 мм).

Результаты расчета занести в таблицу 1.

Таблица 1.

А, мкм	V0, м/с	Р0, атм	I0, Вт/см^2	N, Вт	Pn, атм
		воздух вода	воздух вода		воздух масло

Часть II. Изучение механизмов воздействия ультразвука на биосреду

Порядок выполнения работы:

1. Поместите излучающий торец концентратора в мензурку с во­дой на глубину 5 мм. Включите магнитостриктор и убедитесь, что в мензурке возникают макроскопические течения (акустические потоки) и кавитация.

2. Налейте в пробирку воду и немного масла. Попробуйте перемешать две жидкости, взболтав их. Обратите внимание на качество (дисперсность) полученной смеси. Опустите в пробирку торец концент­ратора и включите магнитостриктор. Оцените качество полученной дисперсии.

3. Рассчитайте во формуле (2) пороги кавитации по давлению для воды и масла. Занесите данные в таблицу 1 (значения коэффицитентов поверхностного натяжения s для воды и масла составляют 0,07 и 0,03 Н/м).

Контрольные вопросы:

1. Чем объясняется возникновение кавитации при давлениях, существенно меньших теоретических пороговых значений (см. таблицу 1)?

2. Почему в данном случае для оценки теплового эффекта в мышечной ткани формула (1) применима лишь для крупных млекопитающих?

Литература:

Хилл К.Ф. Применение ультразвука в медицине. М: Мир, 1989 г.

Дата добавления: 2015-11-05