Инна Вартанян - Коснуться невидимого, услышать неслышимое
Ультразвуковое воздействие и безопасность
В зависимости от режима и места воздействия ультразвуком у животных и человека можно вызвать строго определенные функциональные реакции, угнетение этих реакций и разрушение тканей. В связи с этим особое значение приобретают вопросы не только оптимальных режимов, но и безопасности.
Фокусированный ультразвук частотой несколько мегагерц — неспецифический стимул, поскольку в организме животных и человека отсутствуют органы чувств, способные производить или улавливать механические колебания такой частоты. Даже «классические ультразвуковые животные» — летучие мыши и дельфины — способны излучать и воспринимать ультразвук лишь до сотен килогерц. Речь идет, таким образом, о неспецифических режимах облучения ультразвуком, причем с целью не только получить определенный эффект, но и многократно его воспроизвести без какого-либо вредного влияния на облучаемую структуру или организм в целом.
Фокусированный ультразвук большой интенсивности впервые стали использовать в технике для смешивания нерастворимых друг в друге жидкостей, очистки загрязненных деталей, для нагревания ограниченных объемов среды и т. д. В биологии и медицине подобные режимы воздействия, только при меньшей интенсивности ультразвука, использовали для разрушения биологических тканей, в частности патологически измененных структур мозга. Эта наиболее очевидная область применения ультразвука получила признание не только в эксперименте, но и в клинике, например в нейрохирургии. Другая, сравнительно новая область, в которой успешно используется способность ультразвука вызывать деструкцию биологических тканей, — офтальмология. Фокусированным ультразвуком пытаются задержать отслойку сетчатки, образуя в ней очаги асептического воспаления, фиксирующие сетчатку к соседним оболочкам и препятствующие тем самым ее дальнейшей отслойке. Облучение ультразвуком хрусталика глаза ускоряет формирование катаракты. Формирование, развитие, или, как говорят офтальмологи, созревание, катаракты — необходимая предпосылка для ее успешного оперативного лечения. Как правило, такое созревание завершается за несколько месяцев. Облучение хрусталика фокусированным ультразвуком ускоряет этот процесс до нескольких минут.
Результатом исследований последнего десятилетия стало выявление раздражающего действия фокусированного ультразвука. Кроме того, стало известно и другое функциональное его действие, включающее обратимую блокаду проведения нервных импульсов и еще некоторые феномены.
Для угнетающих, разрушающих и некоторых активирующих воздействий чаще всего применяют непрерывное облучение ультразвуком. В таких случаях полнее используется один из действующих факторов ультразвука — выделение тепла в области воздействия. Прямое раздражение ультразвуком рецепторных и нервных структур, когда у человека возникают специфические ощущения, а у животных можно зарегистрировать электрические специфические ответы, осуществляется одиночными стимулами ультразвука или при помощи ультразвука, модулированного по амплитуде полезным сигналом. С точки зрения безопасности, в ряде случаев предпочтительнее импульсное воздействие — стимулами, следующими друг за другом в случайном порядке или с определенной частотой. Это важно учитывать особенно тогда, когда эффекты, получаемые при том и другом способах воздействия, сходны. Например, одинаковое по высоте слуховое ощущение человек испытывает при использовании ультразвука, модулированного по амплитуде колебаниями частотой 500 Гц и ультразвука в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мс и частотой их повторения 500 в секунду. Пороги ощущения для людей с нормальным слухом, измеренные по интенсивности ультразвука, в этих случаях близки. Естественно, выгоднее импульсный режим: при меньшей затрате энергии, а следовательно, при меньшей потенциальной возможности повреждений достигается тот же результат. Дело здесь не только или, вернее, не столько в реализации суммарного количества введенной ультразвуковой энергии, сколько в существовании физиологических механизмов, реагирующих не на общее количество энергии, а на другие параметры стимуляции.
Приведем еще пример. Для непрерывного облучения мозга лягушки в течение 30 с ультразвуком частотой 2.5 МГц безопасная интенсивность ультразвука, т. е. не вызывающая деструктивных изменений, составляет около 100 Вт/см2 (интенсивность осреднена по площади фокальной области). В импульсном режиме облучения (длительность прямоугольных импульсов ультразвука 1 мс, частота их следования — 500 в секунду) аналогичная интенсивность — уже порядка 800 Вт/см2. Суммарная энергия, введенная в организм, в 4 раза больше во втором случае, чем в первом. Пример демонстрирует существенное значение распределения ультразвуковой энергии во времени.
В наших опытах минимальная интенсивность амплитудно-модулированного ультразвука, вызывающего у человека слуховое ощущение, была принята за пороговую; при этом максимальная интенсивность, которая использовалась в экспериментах, составляла около 60 дБ над порогом. При этом случае появлялось ощущение тепла на месте контакта акустически прозрачной полиэтиленовой пленки с кожей головы. Максимальная интенсивность (в дБ) рассчитывалась как 20 lg In/I0, где In — максимальная интенсивность ультразвука (Вт/см2), I0 — пороговая интенсивность (Вт/см2). Аналогичный расчет был использован при воздействии на ушной лабиринт травяной лягушки одиночными стимулами фокусированного ультразвука длительностью 1 мс. Эти опыты показали, что в интервале около 35—40 дБ над порогом обнаружения ответной электрической реакции в слуховых центрах среднего мозга амплитуда ответа возрастает пропорционально увеличению интенсивности стимула, как это имеет место и при ответах на звук. При интенсивности 40—50 дБ амплитуда ответов на ультразвук растет быстрее, чем на звук, рост ее относительно замедляется при интенсивности ультразвука от 50 до 55 дБ. При интенсивности ультразвука выше 55 дБ амплитуда ответа начинает уменьшаться, в ушном лабиринте появляются морфологические изменения, приобретающие по мере дальнейшего увеличения интенсивности характер деструктивных.
Экспериментальные данные, полученные на животных, подтверждаются в наблюдениях у здоровых людей, когда испытуемые устанавливали равную громкость ощущений при воздействии на одно ухо звуком, а на другое — ультразвуком, модулированным по амплитуде аналогичным звуковым сигналом. Приблизительно до уровня 30—35 дБ относительно слухового порога для ощущения равной громкости требовалось одинаковое надпороговое увеличение интенсивности ультразвука и звука. В диапазоне 35—50 дБ для равной громкости требовалось более значительное увеличение интенсивности звука.
Сопоставление результатов исследований, проведенных на лягушке и человеке, при учете различий объектов и методики исследования, тем не менее указывает на качественную и даже количественную однотипность результатов. Действительно, в определенном надпороговом интервале интенсивностей ультразвука величина ответной реакции (амплитуды электрического ответа из слуховых центров среднего мозга — у животного и ощущения равной громкости — у человека) закономерно связана с интенсивностью. За пределами этого интервала закономерность связи нарушается. Если сравнить динамический диапазон интенсивностей у лягушки и человека, в котором отмечены закономерные связи, он оказывается больше у лягушки (около 55—60 дБ), чем у человека (около 50 дБ). Основную причину указанных различий усматривают в том, что у человека использовали амплитудно-модулированный ультразвук, а для животных — импульсный. Как уже указывалось, при импульсном режиме общую ультразвуковую энергию и интенсивность отдельных импульсов можно увеличить в несколько раз по сравнению с непрерывным облучением, а также с облучением при амплитудной модуляции.
Приведенные примеры подтверждают, что установить определенный режим воздействия необходимо как по соображениям безопасности, так и для достижения тех или иных функциональных эффектов.
Глава 3. Ультразвук как раздражитель органов чувств
Исследования, выполненные рядом научных и клинических учреждений, продемонстрировали возможность активировать фокусированным ультразвуком различные рецепторные системы. У человека ультразвуковые воздействия вызывали весь набор ощущений, связанный с естественной активацией периферического аппарата соматосенсорной системы: тактильные, болевые, ощущения вибрации, тепла, холода, щекотки, зуда. С помощью ультразвуковых воздействий возникали также слуховые и вкусовые ощущения. Электрофизиологическими методиками получены ответы при действии фокусированного ультразвука на рецепторный аппарат равновесия (статоцист) моллюсков, на электрорецепторную систему рыб, на слуховую систему лягушки.
