Как ультразвук вернет людям здоровье
Немного истории. В конце XVIII века итальянец Ладзаро Спалланцани предположил, что причиной безошибочного полета летучих мышей в темноте являются неслышимые человеческим ухом колебания. Так был открыт ультразвук, но долгое время его изучение не находило практического применения. Лишь в 1917 году ультразвук научились использовать для обнаружения подводных лодок. Во время этих экспериментов другой французский физик — Поль Ланжевен — впервые отметил повреждающее действие ультразвукового излучения на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что эти волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х годов возник большой интерес к ультразвуку для терапии различных заболеваний.
В 1928 году российский исследователь Сергей Соколов заложил основы ультразвуковой дефектоскопии в технике и промышленности (обнаружение скрытых дефектов в металлических изделиях, бетонных блоках и т. п.). Для этого создавались специальные ультразвуковые устройства — звуковизоры, послужившие впоследствии прототипами медицинских диагностических аппаратов. С их помощью были сделаны первые попытки получения ультразвуковой информации о состоянии внутренних органов человека. Вскоре появились и первые медицинские аппараты.
Со временем ультразвуковая медицинская аппаратура совершенствовалась: создавались приборы, позволяющие получать изображения внутренних органов, стали разрабатываться доплеровские методы измерения скорости кровотока, ультразвуковая томография и многое другое. Сегодня ультразвуковые методы используются практически во всех областях медицинской практики и считаются актуальными для диагностики и лечения.
Особенности распространения ультразвука в жидкой среде и мягких биологических тканях, которые по своим акустическим свойствам близки к воде, создают перспективы для создания эффективных методов терапии. Как и любая волна, ультразвук переносит энергию и импульс (количество движения), и благодаря этому с его помощью можно в нужном месте организма выделять энергию и оказывать механическое воздействие, тем самым достигая множества полезных для лечения человека эффектов. Так, например, за счет перехода ультразвуковой энергии в тепловую можно локально повысить температуру опухолевой ткани и тем самым вызвать ее некроз. Разрушения больной ткани можно достичь и благодаря акустической кавитации — процессу, при котором попеременные фазы сильного разрежения и сжатия вызывают возникновение в среде парогазовых микрополостей (пузырьков газа) и их последующее схлопывание. Когда мощный ультразвук направляется на почечный камень, он может создавать в нем настолько высокие механические напряжения, что камень начинает растрескиваться и превращаться в песок, — соответствующее применение мощных акустических импульсов в урологии получило название «литотрипсия». Способность ультразвука давить с постоянной силой на находящиеся на его пути объекты (т. е. оказывать радиационное давление) может быть использована, например, для дистанционного перемещения камней в почке или для создания акустических ловушек для малых частиц, аналогично тому, как это делается в оптике с помощью лазерных пинцетов.
Группа ученых Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова под руководством профессора, доктора физико-математических наук Олега САПОЖНИКОВА провела исследования ряда волновых явлений при распространении ультразвука в жидкости в присутствии рассеивателей и поглотителей конечного размера. Работа была поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (ныне — РЦНИ) (№ 20-02-00139). Были изучены, в частности, физические эффекты, на которых основано недавно возникшее новое направление в литотрипсии — радиоимпульсная ультразвуковая литотрипсия (BWL — Burst Wave Lithotripsy). В методе BWL неинвазивная фрагментация почечных камней производится с помощью узкополосных импульсов сфокусированного ультразвука.
Как рассказал Олег Анатольевич, ученые анализировали структуры поля механических напряжений в модельных камнях. Ультразвуковые колебания для лечения применяют в диапазонах частот от нескольких сотен кГц до нескольких МГц на разных уровнях интенсивности. Исследователи изучили физику разрушения камня на макетах. Это было нужно для визуализации распространения упругих волн в модельных объектах и сравнения результатов с численными расчетами.
— Модели почечных камней из эпоксидной смолы и стекла, имевшие прямоугольную, цилиндрическую или неправильную формы, подвергались воздействию сфокусированным ультразвуковым импульсам разной частоты в дегазированной воде. Для записи изображений объекта во время ультразвукового облучения в режиме BWL использовалась высокоскоростная камера, — рассказал Олег Сапожников. — Визуализация показала развитие периодических напряжений внутри камня с пространственно-временными структурами, зависящими от частоты. Эти структуры были идентифицированы как волновые моды в цилиндрах и пластинах, которые образовывали стоячие волны при отражении от дальнего торца модели камня, создавая в определенных местах моделей концентрации напряжений.
— И вы сравнивали результаты с расчетами?
— Да. Измеренные фазовые скорости волн хорошо согласовывались с рассчитанными численно в зависимости от частоты и материала. Искусственные камни, подвергшиеся воздействию импульсов, образовывали трещины в местах, предусмотренных этим механизмом. Результаты подтвердили достаточную генерацию и отражение направленных волн в качестве механизма разрушения камня при радиоимпульсной ультразвуковой литотрипсии.
По словам Олега Сапожникова, отдельное теоретическое исследование в рамках гранта было посвящено способу визуализации механических напряжений в модельных камнях, основанному на использовании поляризованного света. Были разработаны теоретическая модель и численный алгоритм для расчета картины распределения интенсивности света в полярископе, отображающей проекцию динамического напряжения внутри объекта.
— Механическое напряжение рассчитывалось с использованием линейных уравнений упругости, а распространение света моделировалось, исходя из уравнений Максвелла, — пояснил ученый. — Сравнение смоделированных и наблюдаемых изображений полярископа позволило уточнить фотоупругую постоянную за счет минимизации ошибки между расчетным и измеренным полями. Эти результаты позволяют количественно оценить напряжение на полярископических изображениях, определить свойства материала, а также режимы и механизмы создания напряжения в почечном камне. Такая модель может помочь в интерпретации упругих волн в структурах, таких как камни, для улучшения процедур литотрипсии.
— Скоро ли можно будет применять этот метод в медицинской практике?
— Он уже вызвал большой интерес у урологов. Наши американские коллеги успешно проводят первые пробные процедуры BWL на добровольцах, и результаты весьма оптимистичны. Для врачей может быть интересен и полезен не только процесс фрагментации камней, но и их дистанционное перемещение, включая фрагменты, путем ввода ультразвукового пучка через кожу. Таким способом можно разрушать почечные камни и способствовать выводу их из мочевыделительной системы.
— Несколько слов о коллегах…
— Мы проводили ряд исследований по проекту совместно с Университетом штата Вашингтон в Сиэтле. Наше сотрудничество началось много лет назад в рамках нескольких совместных проектов. Ученые из Сиэтла — лидеры в области применения ультразвука в медицине, и мы стараемся не отставать. В процессе научного обмена с американцами сильной стороной нашего коллектива является квалификация физиков и специалистов по численному моделированию.
— В ваших совместных публикациях есть результаты экспериментов с животными. Где они проводились?
— Эксперименты с животными проводились американскими коллегами в Сиэтле. Мы делали расчет структуры акустического поля, необходимой для создания подходящего распределения радиационной силы в пространстве, чтобы можно было осуществить манипуляцию модельным камнем в мочевом пузыре свиньи. Важно отметить, что такая манипуляция оказалась успешной и безопасной, — повреждений стенки мочевого пузыря или промежуточной ткани не наблюдалось.
Задача манипулирования микроскопическими телами с помощью акустической радиационной силы может иметь и другие применения, отметил ученый. В ходе выполнения проекта совместно с коллегами из российской компании 3D Bioprinting Solutions проведено исследование по применению акустической радиационной силы для целей биофабрикации, когда в качестве акустических мишеней выступают живые клетки или тканевые сфероиды (сферические конгломераты клеток размером до 0,3 мм), а сформированная конструкция имеет функции живой ткани. Несколько результатов проекта являются пионерскими и соответствуют уровню мировых достижений. В частности, впервые была осуществлена полностью бесконтактная магнитоакустическая сборка тканевых сфероидов в живой тканевый конгломерат.
— Этот грант завершен. Над чем трудитесь сегодня?
— Работы, проведенные в рамках проекта РФФИ, — лишь часть большого комплекса исследований, которые мы проводим в лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ (https://limu.msu.ru/). Наша университетская лаборатория, которой я руковожу совместно с доктором физико-математических наук Верой Александровной Хохловой, работает над использованием ультразвука в разных областях медицины и промышленности. Исследования по гистотрипсии, литотрипсии, транскраниальному ультразвуку, нелинейной акустике, акустической голографии, акустической метрологии, разработка новых типов излучателей и приемников ультразвука — это те направления, где мы считаем себя экспертами и в рамках которых трудится наша команда.
Подготовил Андрей СУББОТИН
Нет комментариев