Текст книги "Коснуться невидимого, услышать неслышимое"

Автор книги: Инна Вартанян

Соавторы: Ефим Цирульников
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 11 страниц)

Некоторые общие сведения об ультразвуке

Понятие «ультразвук» относится к волновому механическому колебательному процессу частотой от 2·10⁴ до 10⁹ Гц. Когда частота превышает 10⁹, до 10¹³, Гц, говорят о гиперзвуке. Выделение ультразвука как самостоятельного понятия исторически связано со слухом человека. Если частота механических колебаний, распространяющихся по воздуху, выше воспринимаемой человеком, говорят об ультразвуке или, в зависимости от частоты, о гиперзвуке; если ниже – об инфразвуке. По физической природе инфразвук, ультра– и гиперзвук не отличаются друг от друга. Отличия возникают преимущественно при взаимодействии каждого из перечисленных колебательных процессов со средой. Например, из-за очень малых длин волн гиперзвука существенным становится взаимодействие его с квазичастицами среды – электронами, фотонами и другими.

Удивительная способность некоторых животных ориентироваться в пространстве, избегать препятствий в темноте всегда привлекала внимание и побуждала к выяснению ее причин. Итальянский ученый Л. Спалланцани в 1793 г. опубликовал сведения, согласно которым эта способность связана со слухом, а не со зрением, как предполагали раньше. Через 5 лет швейцарский энтомолог Ш. Жюрин привел данные, свидетельствующие о том, что именно слух летучих мышей позволяет им обнаруживать препятствия. Однако эти исследования не помешали французскому зоологу Ю. Кювье выдвинуть гипотезу, по которой способности к ориентации летучих мышей в темноте определяются очень развитой у них системой осязания. В дальнейшем английский ученый X. Хартридж вновь привлек внимание к возможности локализации этими животными колебаний высокой частоты, не воспринимаемых человеком. И лишь в 1938 г. Д. Гриффин – известный в дальнейшем американский специалист по ориентации с помощью эхолокации, а тогда студент – обнаружил высокочастотные сигналы, издаваемые летучими мышами. Исследования его и других ученых подтвердили ранние представления об ультразвуковой ориентации летучих мышей. К настоящему времени доказано, что многие животные издают и воспринимают ультразвуковые колебания: ночные птицы, например гуахара, млекопитающие, в частности некоторые из землероек, крысы, мыши. Спектр «звуков», издаваемых домашней кошкой, простирается до 60 кГц, то же самое характерно и для собак некоторых пород. Новые исследования постоянно увеличивают список животных, в сигналах которых присутствуют ультразвуковые составляющие. Наиболее детально изучены подобные сигналы у летучих мышей и дельфинов.

В повседневной жизни человек соприкасается с множеством источников ультразвуковых колебаний, природных или создаваемых им самим. Ультразвуки содержатся в шумах ветра и моря, издаются животными и даже самим человеком, присутствуют во время работы различных механизмов. В большинстве случаев они не воспринимаются человеком.

Ультразвук широко применяют в разных областях науки, техники, медицине. Специфические его особенности обусловлены, в частности, длиной волны, которая может быть короче диаметра излучающей поверхности, благодаря чему ультразвук способен распространяться направленно. Подобно свету его можно сфокусировать на ограниченном участке. В технике ультразвук получают преимущественно механическим и электроакустическим способами. В механических преобразователях кинетическая энергия, например струи воздуха, переходит в акустическую (принципы сирены, свистка). Другие принципы использованы в пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователях, которые значительно более распространены, чем механические. В пьезоэлектрических преобразователях использован эффект, обнаруженный в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри. При деформации пластины кварца возникают электрические заряды. Электричество, возникающее при давлении, было названо «пьезоэлектричеством» («пьезо» – по-гречески «давить»). Но может быть и противоположный эффект: под действием электричества кварцевая пластинка меняет свои размеры. Если на пластинку подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной ее собственной резонансной частоте, пластинка начинает колебаться с наибольшей амплитудой.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на изменении размеров ферромагнитного материала при действии на него магнитного поля («стрикцио» – по-латыни значит «сжатие»).

В наших исследованиях использовались излучатели с пьезокерамическими пластинками, работающими по типу кварцевых. Интересно отметить, что в природе имеются достаточно компактно «выполненные» фокусирующие системы, например у дельфинов. У них существует жировая линза, расположенная кпереди от источника ультразвука, которая формирует направленное ультразвуковое излучение.

Фокусирование ультразвука

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, α_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/см². 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.

Сфера использования, режимы

Изучение действия фокусированного ультразвука на сенсорные системы животных и человека, связанные с различными органами чувств, выявило любопытный факт: ультразвук является удобным инструментом для раздражения сенсорных систем, и прежде всего тех, для которых в естественных условиях адекватным является механический стимул.

Работы, выполнявшиеся в Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова АН СССР, в Акустическом институте им. академика Н. Н. Андреева АН СССР, Институте физиологии им. И. П. Павлова АН СССР, Ленинградском научно-исследовательском институте болезней уха, горла, носа и речи Министерства здравоохранения РСФСР и ряде других научных и лечебных учреждений, впервые показали: фокусированный ультразвук действительно может быть использован как раздражитель. Его активирующее действие в ряде случаев подобно естественной, адекватной стимуляции. Например, у человека фокусированным ультразвуком частотой из диапазона 0.5—4.0 МГц можно вызвать тактильные, слуховые, вкусовые и ряд других ощущений. Обнаружено активирующее действие ультразвука на воспринимающие нервные структуры животных и человека, расположенные в коже, мышцах, надкостнице, суставах.

По универсальности воздействия фокусированный ультразвук похож на электрический стимул, однако для успешного использования в каждом конкретном случае должен быть найден соответствующий режим воздействия. Если сенсорную систему сравнить с замком (возбудить ее – значит открыть замок), то ультразвук нельзя сравнивать с ключом, открывающим замок. Правильнее принять его за болванку такого ключа. Если в некоторых случаях, например при действии ультразвука на зрительную или вестибулярную системы, ключ не найден, т. е. не удалось получить активирующего воздействия, это еще не означает, что активация в принципе невозможна. Необходимо продолжить поиски активирующего режима ультразвукового воздействия. А что вообще такое «режим воздействия»? Иногда его называют дозой по аналогии, например, с дозой лекарства. Для достижения лечебного эффекта доза может быть разовой или многократной, неизменной при последующих приемах, возрастающей или убывающей. Принимать лекарство можно в высокой концентрации, предварительно разводить его, до еды, после и так далее. В общем замена «режима» «дозой» мало что проясняет.

Продолжим наше сравнение ультразвука, вернее – ультразвукового режима воздействия, с ключом, открывающим определенный замок, т. е. вызывающим активацию той или иной рецепторной или нервной структуры. Ключ может быть короче или длиннее, больше или меньше, открывать замок с одного или нескольких поворотов и т. п. Но во всех случаях он изготавливается из одной «болванки-ультразвука». В каждом режиме имеет значение место воздействия, включающее глубину от поверхности тела, объем и акустические свойства тканей, подвергающихся активации в фокальной области излучателя, а также расположенных по пути следования ультразвука от поверхности излучателя до фокальной области. Имеет значение частота ультразвука, интенсивность и длительность разового воздействия, необходимость однократного или многократного воздействий. В последнем случае бывает важна частота следования повторных включений и общее число стимулов.

Оптимальный режим может включать все или некоторые перечисленные компоненты, а также ряд других, здесь не указанных. Например, для активации тактильных рецепторов не важна частота ультразвука (в пределах диапазона 0.5—4 МГц), зато должна быть учтена амплитуда смещения среды в фокальной области, длительность стимулов, крутизна их переднего и заднего фронтов. Подробнее о тактильной рецепции будет рассказано дальше. Здесь лишь отметим, что минимальная длительность стимулов, при которых тактильные пороги будут самыми низкими, составляет 1—5 мс при условии, что стимулы прямоугольные по форме. Кроме того, пороги будут самыми низкими при частоте следования стимулов около 250 в секунду. Приведенный пример показывает также, что оптимальный режим воздействия может включать и такой критерий, как пороговая ответная реакция (порог тактильного ощущения).

Оптимальный режим – понятие совершенно конкретное по отношению к структуре, для которой выявляется возможность активации, или, следуя нашему сравнению, изготавливается ключ. Бывает, однако, ситуация, когда одним ключом можно открыть несколько замков. Действительно, обнаружены разные структуры, режимы активации которых весьма сходны. Но здесь мы вторгаемся уже в другую область – в изучение общих свойств различных органов чувств на основе сходства режимов активации.

Во всех исследованиях, когда применялись стимулы длительностью до 10 мс, тепловое действие ультразвука было настолько мало, что им можно пренебречь. Активация была связана с другими факторами, среди них – влияние знакопеременных колебаний ультразвуковой частоты. Природа влияния такого рода пока окончательно не ясна: могут иметь значение выделение биологически активных веществ, колебания собственных структур живых клеток, равно как и некоторые другие причины, о которых речь пойдет ниже.

Сопоставление с другими раздражителями

Когда с помощью ультразвука активируют те или иные структуры и регистрируют ответные реакции, будь то ощущения человека или электрические сигналы нервных единиц животных, возникает вопрос о сопоставлении ультразвукового влияния с действием адекватных раздражителей, т. е. тех естественных стимулов, на которые структуры приспособлены реагировать: тактильные ощущения обычно возникают при действии механических стимулов, вкусовые – химических и так далее.

Ультразвуковое воздействие по своей физической природе является механическим. Однако обычно механические колебания сопровождаются рядом других эффектов, зависящих от свойств биологических тканей в области воздействия, режимов ультразвуковой аппликации и пр. Речь идет, в частности, о выделении большего или меньшего количества тепла, биологически активных веществ, появления физико-химических эффектов, которые могут оказаться непосредственной причиной функционального влияния ультразвука.

Сопоставление ультразвука с адекватными раздражителями способствует выявлению действующих факторов ультразвукового стимула и места их приложения. Действующие факторы могут не совпадать по своей физической природе с адекватными раздражителями. Именно несовпадение зачастую открывает дополнительные возможности для изучения механизма адекватной стимуляции. Когда, например, было установлено, что действующим фактором ультразвукового стимула, определяющим появление ощущений тепла и холода, является механическое смещение, возник вопрос о его значении для температурной рецепции в естественных условиях. Результатом последующих исследований была новая гипотеза температурной рецепции (см. ниже).

При сравнении ультразвукового и адекватного (звукового) воздействий на слуховой лабиринт животных и человека оказалось, что место активирующего воздействия обоих раздражителей не одно и то же. Известно, что звуковые колебания, пройдя наружное и среднее ухо, активируют рецепторный слуховой аппарат лабиринта. При очень большой интенсивности звука иногда они одновременно могут активировать и вестибулярный аппарат, деятельность которого обеспечивает ощущение равновесия в пространстве. Раздражение звуком вестибулярного аппарата известно в клинике под названием феномена Туллио.

С помощью ультразвука тоже удается вызвать у человека слуховые ощущения, а у животных – электрические реакции в слуховых центрах мозга. А вот вестибулярных реакций получено не было. Ответы на ультразвук во многом похожи на реакции при естественной звуковой стимуляции. Но были обнаружены и различия. Именно различия позволили вначале предположить, а потом экспериментально доказать, что местом активации ультразвуком слуховой системы является не только рецепторный аппарат, но и проводниковые нервные структуры ушного лабиринта, а также волокна слухового нерва (см. ниже). Впервые установленная способность ультразвука активировать волоконные лабиринтные структуры и волокна позволила приступить не только к пересмотру существующих представлений о функции слухового рецепторного аппарата, но и к разработке новых способов диагностики различных заболеваний слуховой системы (глава 4). Появилась возможность «коснуться невидимого», заставить «звучать» ранее «немые» участки слуховой системы, чтобы выявить, здоровы они или больны, можно ли с помощью их активации пытаться восстановить утраченный или резко пониженный слух.

В каждом конкретном случае для анализа полученных эффектов необходимо выявить непосредственно действующие факторы ультразвукового стимула, являющиеся причиной ответной реакции. Один из способов – сопоставление ответных пороговых реакций на ультразвуковые и адекватные стимулы.

Однако прямое сопоставление в ряде случаев оказывается невыполнимым. Рассмотрим один такой случай. При действии ультразвука на слуховой лабиринт человека и животных можно вызвать ответные реакции, аналогичные реакциям на естественный, звуковой стимул. У человека изучают слуховые ощущения, у животных – зарегистрированные из слуховых центров мозга электрические потенциалы. Известно, что естественный акустический стимул через аппарат звукопроведения оказывает на рецепторы механическое воздействие. А в случае ультразвуковой аппликации? Пороговые электрические ответы из слуховых областей среднего мозга лягушки можно вызвать ультразвуком, интенсивность которого в фокальной области составляет менее 1 Вт/см². Это соответствует смещениям среды в фокальной области порядка от тысячных до десятых долей микрометра, т. е. величинам смещений жидкостей и мембран лабиринта лягушки, вызванных естественной акустической стимуляцией. Казалось бы, в обоих случаях играет роль механический фактор. Однако, когда у человека измеряли пороги слуховых ощущений, вызванных короткими стимулами звука и ультразвука, обнаружились различия ощущений по критерию длительности стимула. Опыты проводились следующим образом. Одним и тем же испытуемым предъявляли стимулы звука и ультразвука разной длительности и определяли порог слуховых ощущений. Оказалось, что наименьшие пороги регистрировали при действии звуков длительностью 100 мс и более. При действии ультразвука минимальная величина порогов была уже при длительности стимулов 1 мс. Разница на два порядка при высокой стабильности результатов у разных испытуемых не могла быть случайной. Возникло предположение о разных местах конечного, активирующего воздействия для стимулов звука и ультразвука, для первого – рецепторный аппарат, для второго – проводниковые лабиринтные нервные структуры и волокна слухового нерва.

Вопрос о месте воздействия весьма важен. Если оно одно и то же, указанные различия, вероятнее всего, зависят от разных действующих факторов. Дополнительные сведения о месте воздействия ультразвуком и, следовательно, о действующих факторах, дают клинические наблюдения. Речь идет о больных, утративших слух из-за разрушения рецепторного аппарата лабиринта патологическим процессом, но сохранивших функционально способными волокна слухового нерва. Такие больные в естественных условиях глухи, но у них можно вызвать слуховые ощущения при раздражении слуховых волокон электрическим током. Оказалось, что, несмотря на отсутствие слуха, больные испытывают слуховые ощущения в условиях действия на ушной лабиринт ультразвуковых импульсов или ультразвука, модулированного по амплитуде звуковым сигналом. Следовательно, можно предполагать, что ультразвук, как и электрический ток, активирует сохранившиеся волокна слухового нерва.

Это наблюдение соответствует результатам опытов на животных с предварительно разрушенным рецепторным аппаратом. Было показано, что при таких условиях ультразвуком активируются слуховые нервные волокна. Подробнее к результатам этих исследований мы вернемся в разделе о слухе.

Таким образом, клинические данные в сопоставлении с экспериментами на животных свидетельствуют о том, что ультразвук оказывает активирующее влияние на волокна слухового нерва. При электрическом раздражении слуховых волокон человека наименьший порог обнаружен при длительности электрического прямоугольного импульса 1 мс и больше. Случайное это совпадение с такой же величиной при действии ультразвука или отражение какой-то общей закономерности обоих стимулов? В действии электрического тока на волокно нет аналогии с механическим раздражением, которое ранее выступало действующим фактором ультразвуковой стимуляции. Однако тогда речь шла о пороговой стимуляции. А при нарушении функции рецепторного аппарата пороги ответных реакций на ультразвук возрастали и у животных, и у человека. Не исключено поэтому, что в таких условиях выступает иной действующий фактор. Возникло предположение о преобразовании в тканях ультразвукового импульса в электрический сигнал, который и вызывает слуховое ощущение. В пользу предположения служат данные литературы о так называемом механо-электрическом эффекте в биологических тканях. Суть его заключается в том, что при действии ультразвука на живую ткань, особенно на костную, в ней возникает электрический сигнал. В результате было установлено, что эффекты ультразвука пороговых и умеренных надпороговых интенсивностей (до 35—40 дБ) связаны главным образом с адекватным механическим фактором. При больших интенсивностях проявляется другой фактор, предположительно механо-электрический.

Сопоставление фокусированного ультразвука как раздражителя с другими адекватными или искусственными стимулами целесообразно рассматривать не только с целью выявления действующих факторов ультразвука, но и для изучения различий ультразвуковой активации по сравнению с воздействием другими стимулами. В некоторых случаях несомненны преимущества ультразвука. Какие именно? Действие на строго ограниченную область, размеры которой можно изменить в широких пределах и выбрать произвольно; количественно контролируемое измерение интенсивности, широкий выбор режимов воздействия, от стимулирующего до функционально угнетающего или разрушающего. В процессе выбора оптимального режима иногда можно использовать действующий фактор, нужный в одном случае, и отказаться от использования его – в другом. Пожалуй, только фокусированный ультразвук обладает уникальной способностью воздействовать на глубинные структуры организма без какого-либо влияния на окружающие ткани. Преимущество ультразвуковой активации делает наиболее плодотворным изучение общих и специфических закономерностей в работе периферического аппарата сенсорных систем.