Биофизическое действие ультразвука

Интенсивность УЗ волны, определяемая по аналогии со звуком по формуле / = puj2vA2/2, пропорциональна квадрату круговой частоты. При этом ускорение частиц, колеблющихся в УЗ волне, может быть большим. Так, например, в воде для УЗ волны с частотой 1 МГц при интенсивности / = 10⁵ Вт/м² амплитуда смещения частиц воды мала и составляет А = 0,4 мкм. Амплитудное значение ускорения велико — а_м = 4-10⁶ м/с³. При этом амплитудное значение избыточного акустического давления также высоко — 5,5 • 10⁵ Па(5,5 атм).

Приведенные параметры свидетельствуют о наличии существенных сил, действующих на частицы воды (а, следовательно, и биологических тканей) при облучении УЗ.

а) Деформация, кавитация. При распространении УЗ волны в веществе развиваются деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением его частиц (так как УЗ волна является продольной). В зависимости от интенсивности УЗ волны эти деформации могут вызывать либо незначительные изменения структуры, либо ее разрушение. Это используется при измельчении или диспергировании сред. При распространении УЗ в жидкости в областях разряжения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву в сплошной жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости. Это явление называется кавитацией (кавитация — пустота, лат). Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становится больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации Р_к. Для чистой воды Р_к = 1,5 • 10⁸ Па. Кавитация существует недолго. Пузырьки быстро захлопываются, что сопровождается сильным разогревом их содержимого. При этом также выделяются газы, содержащие атомарные и ионизированные компоненты. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям: в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогрев вещества, а также ионизация и диссоциация молекул. При интенсивностях меньших, чем 0,8 • 10⁴ Вт/м², кавитация не возникает.

УЗ вызывает и другие эффекты: возникают акустические потоки (звуковой ветер), скорость которых достигает 10 м/с. Эти потоки перемешивают облучаемые жидкости, изменяя их физические свойства.

б) Выделение тепла. Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границам раздела сред с различными волновыми сопротивлениями. Это связано с тем, что при отражении интенсивность волны вблизи границы увеличивается, и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. В этом можно убедиться экспериментально. Надо приложить к влажной руке излучатель УЗ. Вскоре на противоположной стороне ладони возникает ощущение, (похожее на боль от ожога) вызванное УЗ, отраженным на границе «кожа-воздух».

в) Химические реакции. Под воздействием УЗ в веществе могут происходить изменения в окислительно-восстановительных реакциях. При этом могут протекать даже такие реакции, которые в обычных условиях неосуществимы.

Комплексное действие УЗ на биологические объекты основано на механических, тепловых, химических факторах. Эффективность этих факторов зависит от частоты и интенсивности УЗ.

Механическое действие на клетки. Ультразвуковые механические колебания частиц вещества в тканях могут вызывать благоприятные структурные перестройки вследствие микровибрации на клеточном и субклеточном уровне, микромассажа тканевых структур.

Действие на мембраны. УЗ оказывает воздействие на клеточные мембраны. Акустические течения приводят к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Внутри клетки микропотоки могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму и изменять ее вязкость. Они могут отрывать от клеточных мембран биологические макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный заряд мембран и их проницаемость, оказывая этим влияние

на жизнедеятельность клетки. При достаточно большой интенсивности УЗ происходит разрушение мембран. Однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются при интенсивности 0,1 • 10⁴ Вт/м², другие — при 25 • 10⁴ Вт/м².

Изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на УЗ воздействие, независимо от того, какой из факторов УЗ, действующих на клетку, превалирует в том или ином случае.

Разрушение микроорганизмов. Облучение ультразвуком с интенсивностью, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов.

Химическое действие. Химическое действие УЗ проявляется, в частности, в реакции расщепления молекулы воды на радикалы Н+и ОН^- с последующим образованием перекиси водорода Н₂О₂.

Тепловое действие. При облучении УЗ происходит нагревание тканей. Теплота выделяется в основном не в объеме ткани, а на границах раздела тканей с разными акустическими сопротивлениями или в одной и той же ткани на неоднородностях ее структуры. Ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к УЗ, чем однородные ткани (печень). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие может привести к перегреву.

Дата добавления: 2014-01-11