Реферат по математике. Физические основы применения ультразвука в терапии и хирургии
 Скачать 1.14 Mb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра Физики и Математики Реферат на тему: «Физические основы применения ультразвука в терапии и хирургии» Выполнила: Студентка 1 курса Педиатрического факультета, Группа № 125 Магамедова Лейла Шарафудиновна Ставрополь, 2022 Содержани Введение 4 1. Ультразвук как физическое явление 5 2. Применение ультразвука в хирургии. 7 2.1. Основные применения ультразвука в хирургии: 7 2.2. Механизм разрушения тканей 8 2.3. Применение фокусированного ультразвука. 9 3. Применение ультразвука в терапии. 12 3.1. Терапия, использующая тепловые эффекты ультразвука 13 Заключение 15 Список использованной литературы и интернет-ресурсов 16 Введение 3 1. Ультразвук как физическое явление 4 2. Применение ультразвука в хирургии. 6 2.1. Основные применения ультразвука в хирургии: 6 2.2. Механизм разрушения тканей 7 2.3. Применение фокусированного ультразвука. 8 3. Применение ультразвука в терапии. 11 3.1. Терапия, использующая тепловые эффекты ультразвука 12 Заключение 14 Список использованной литературы и интернет-ресурсов 15 Введение Сегодня ультразвук с успехом применяется в ряде областей медицины и в первую очередь для лечебных целей в терапии, в диагностике различных заболеваний, в хирургической практике. С помощью ультразвука стерилизуют жидкости, моют и дезинфицируют хирургические инструменты, руки хирурга, производят диспергирование и ингаляцию. Использование ультразвука в медицине основано на физических явлениях, происходящих в биологических тканях: это различное поглощение ультразвука тканями, отличающимися внутренним строением, отражение ультразвуковых колебаний при переходе сред разной плотности, образование под действием ультразвука тепла в тканях (возбуждение в них колебаний, развитие различных потоков биологических жидкостей и т.д.). Цель работы: выявить основные области применения ультразвука в терапии и хирургии. Задачи: -раскрыть понятия ультразвук, ультразвуковая диагностика; -установить физические основы применения ультразвука; -роль ультразвука в хирургии и терапии. 1. Ультразвук как физическое явление Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны в упругих средах в диапазоне частот 20000 – 1010 Гц. Ультразвуковые колебания, не воспринимаются человеческим ухом. Частоты ультразвука условно подразделяют на три области: УЗНЧ - ультразвук низких частот – (2 104 – 105 Гц), УЗСЧ - ультразвук средних частот – (105 – 107 Гц), УЗВЧ – ультразвук высоких частот – (107 – 1010 Гц). Верхний предел определяется межмолекулярными расстояниями и зависит от рода вещества, его агрегатного и термодинамического состояния. Верхний предел УЗ колебаний граничит с гиперзвуковыми колебаниями (до 1013 Гц). Каждая из областей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. Низкочастотные ультразвуки обладают способностью хорошо распространяться в воздушной среде. Ультразвуки высокой частоты практически в воздухе не распространятся. Поэтому области использования УЗСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидким и твердым телам, а в воздухе и в газах применяют только УЗНЧ. УЗ волны бывают продольные и поперечные. В жидкостях и газах УЗ волна распространяется в направлении колебательного движения частиц, т.е. являться продольной. При распространении продольной волны в среде возникают последовательно области сжатия и разрежения частиц среды (рис. 1).  Рисунок 1. Распространение продольной волны В твердых телах и плотных биотканях помимо продольных деформаций, возникают также и упругие деформации сдвига, обусловливающие появление поперечных волн. В этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. УЗ волны могут быть сферическими, плоскими и др., что определяется видом волновой поверхности. Поверхность с одинаковой фазой колебаний называется волновой поверхностью (один из видов волновой поверхности - волновой фронт). Плоские волны имеют плоскую волновую поверхность. Такие волны возникают в случае возбуждения плоским источником звука, например плоской колеблющейся пластиной. Кроме плоских волн могут быть сферические волны, возбуждаемые точечным или сферическим источником. Идеальная сферическая волна возникает в случае точечного источника. Реальные источники всегда имеют пространственную протяжённость, поэтому на практике считают, что если радиус излучателя (r) мал по сравнению с длиной волны λ излучаемого им звука, т.е. r<<λ, то возникающий в таком случае фронт волны считают сферическим. При условии λ< Встречаются также цилиндрические волны, волновая поверхность которых имеет цилиндрический вид (рис. 2 а, б, в).  Абсолютно плоские, сферические или цилиндрические волны практически не встречаются, обычно имеет место комбинация различных типов волн, которая только в малых областях пространства может быть близка к одному из перечисленных типов. 2. Применение ультразвука в хирургии. 2.1. Основные применения ультразвука в хирургии: А) Ультразвуковая резка мягких тканей; • Рассечение и иссечение рубцов при различных пластических операциях; • Удаление злокачественных опухолей; • Иссечение гнойно-некротических очагов. Б) Резка костей. • Трепанация черепа; • Рассечение и резекция грудины, ключицы, рёбер; • Резекция костей при опухолях. В) Ультразвуковая сварка: • Восстановительные операции при переломах костей черепа и лица; • Сварка многооскольчатых внутрисуставных и диафизаоных переломов (особенно небольших костей); Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй механические колебания ультразвуковой частоты используются в хирургических инструментах типа лезвий, пил, механических наконечников. Ультразвуковые хирургические инструменты состоят обычно из полуволнового магнитострикционного или пьезокерамического преобразователя, связанного с волноводом, имеющим рабочий наконечник, форма которого соответствует выполняемым операциям. Амплитуда колебания наконечника может составлять от 15 до 350 мкм, а рабочая частота выбирается из диапазона до 30 кГц. Применение ультразвуковых инструментов для разреза требует меньших усилий по сравнению с традиционными скальпелями. Высокая температура, достигаемая на конце ультразвукового скальпеля, может прижигать сосуд до 2 мм в диаметре. Это уменьшает кровотечение в операционной зоне, и таким образом, облегчает проведение операции. У ультразвуковых инструментов имеются свои преимущества по сравнению с другой хирургической техникой. Так преимущество по сравнению с криохирургической состоит в том, что кончик скальпеля не прилипает к ткани и поверхности разреза не испытывают дополнительных травм. Также по сравнению с лазерной хирургией, хирург, работающий с ультразвуковым ножом-скальпелем, ощущает сопротивление ткани и без труда может контролировать глубину разреза. При разрезании тканей достоинством является малые потери крови. Метод успешно применяется на таких богатых сосудами органах, как печень и селезенка. Он используется также при трахеотомии, тонзилэктомии, при операциях на легких, бронхах, грудной клетке и глазе. Для резания кости может применяться ультразвуковая пила. При сравнительном исследовании было найдено, что поверхность разреза, произведенного ультразвуковой пилой, была шероховатее, чем сделанная обычной пилой, однако она не содержала видимых микротрещин. Ультразвуковая пила работает более плавно, и с ее помощью легче осуществлять точную остеотомию. 2.2. Механизм разрушения тканей При сравнении данных по пороговым интенсивностям, при которых происходит разрушение тканей, оказалось, что при интенсивностях звука меньше 2 103 Вт/см2 и времени экспозиции меньше 4 10-2 с работает кавитационный механизм, а в случае, когда время экспозиции превышает 1с, а интенсивность звука меньше, чем 200 Вт/см2 работает механизм теплового разрушения. В промежуточной области механизм разрушения не ясен. Под акустической кавитацией понимают образование и последующее активное поведение газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию. Нестационарные полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Схлопывание таких пузырьков приводит к возникновению высоких температур и давлений. Ультразвук, наряду с другими средствами, используется при лечении моче- и желчекаменной болезни -экстракорпоральная ударно-волновая литотрипсия. Суть его заключается в дроблении камней для последующего их выведения средствами самого организма - через мочу или желчь. При этом волны генерируются внешним источником энергии и передаются от него к месту проведения операции (Рис 49). Специальный прибор - литотриптор - позволяет точно выявить местоположение камня с помощью ультразвуковых волн и, с их же помощью производит дробление камней.  2.3. Применение фокусированного ультразвука. Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см2). Хирургическая техника должна воздействовать только на четко ограниченную область, быть быстродействующей, вызывать минимальные потери крови. Мощный фокусированный ультразвук обладает большинством из этих качеств. Возможность использования фокусированного ультразвука для создания зон поражения в глубине органа без разрушения вышележащих тканей изучено в основном в операциях на мозге. Позже операции проводились на печени, спинном мозге, почках и глазе. Применение фокусированного ультразвука позволяет локально воздействовать на поверхностные и глубоко расположенные структуры организма в результате создания локальной, контролируемой гипертермии, то есть нагрева до 41-44 градусов без перегрева поверхностных тканей. Эти возможности локального воздействия на глубоко расположенные структуры организма недостижимы при использовании традиционных методов воздействия ультразвуком на биологические объекты, основанные на применении плоских ультразвуковых волн. Кроме термического воздействия, фокусирующие излучатели создают повышенное звуковое давление, распределённое неравномерно, оно максимально в центре фокальной области и очень мало на периферии (рис.50).  Наибольшее распространение в медицине получили излучатели фокусированного ультразвука в виде части сферической оболочки, изготовленные из пьезоэлектрической керамики (Рис. 51).  На рисунке представлены основные геометрические характеристики сферического излучателя: R - радиус, F - фокусное расстояние, αm - угол раскрытия, h - глубина, г0 – радиус фокальной области, l - длина фокальной области. Ещё один фактор биологического действия фокусированного ультразвука его механические эффекты. Например, при частоте 1МГц и интенсивности 1000 Вт/см2 значения параметров ультразвука таковы: амплитуда смещения – 0,6 мкм, колебательная скорость - 4м/с, ускорение - 2,3 109см/с2 (что превышает ускорение земного тяготения в 2 106 раз), звуковое давление 55 атм., градиент звукового давления на половину длины волны - 1500 атм./см. Такое интенсивное механическое воздействие на среду может приводить к эффектам разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука. Механическое действие фокусированного ультразвука резко усиливается при возникновении в среде ультразвуковой кавитации. При облучении тканей фокусированным ультразвуком возникает, также, химическое действие аналогичное действию плоских ультразвуковых волн высокой интенсивности. Разнообразие биологических эффектов, обуславливаемых фокусированным ультразвуком, и возможность управления ими, локально воздействуя на структуры, лежащие в глубине организма, практически не влияя на окружающие ткани, делает применение фокусированного ультразвука весьма важным для медицины. Наибольшее тепловыделение возникает при облучении биологических тканей импульсно-периодической ультразвуковой волной. Поглощение такой волны с заданной средней мощностью может быть в несколько раз увеличено путем повышения скважности импульса. При облучении ткани мощным фокусированным ультразвуковым импульсом происходит генерация сдвиговых волн в среде, которая повышает эффективность воздействия в несколько раз. Импульсно-периодические режимы возбуждения с прямоугольной огибающей радиоимпульсов, отличаются амплитудой ультразвуковых импульсов. Они имеют одинаковую среднюю мощность и дают разную картину нагрева среды. В среде с нелинейными свойствами, из-за влияния среды на УЗ, возникают ударные участки, волна поглощается эффективнее, нагрев среды оказывается сильнее. Применение сильно сфокусированной импульсно-периодической ультразвуковой волны, вызывающей сильный нагрев участков тканей, является перспективным направлением неинвазивной хирургии. 3. Применение ультразвука в терапии. Ультразвук, используемый в терапии, обладает выраженным обезболивающим, спазмолитическим, противовоспалительным, противоаллергическим и общетонизирующим действием, он стимулирует крово- и лимфообращение, процессы регенерации; улучшает трофику тканей. Благодаря этому ультразвуковая терапия нашла широкое применение в клинике внутренних болезней, в артрологии, дерматологии, отоларингологии и др. Ещё в середине XX века ученые заметили, что пораненное ухо кролика быстрее заживает, если три раза по 5 минут обработать его ультразвуком с частотой, слегка превышающей порог чувствительности (при γ > 20 кГц). В тканях при этом увеличивается обмен веществ, усиливается синтез белков и нуклеиновых кислот, повышается проницаемость клеточных мембран. Все эти изменения усиливают регенерацию. УЗ малой интенсивности (менее 1 Вт/см2) способствует активизации внутриклеточных процессов в тканях (биосинтез белка, образование биологически активных веществ, усиление активности ферментов и т.п.). Терапевтические дозы оказывают болеутоляющее действие, сосудорасширяющее, противовоспалительное, рассасывающее, стимулирующее восстановление поврежденных органов и тканей, включая некоторые виды терапии рака. Малыми дозами осуществляют массаж сердца, легких, мышечных тканей как гладких, так и скелетных. Ультразвуковая терапия эффективна при заболеваниях внутренних органов (хронический бронхит, бронхиальная астма, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, хронический колит, холецистит, пиелонефрит, панкреатит). В физиотерапии обычно применяют ультразвуковые волны с частотой 0,8 - 3 МГц. Большинство серийных ультразвуковых терапевтических аппаратов работают на одной из фиксированных частот этого диапазона, чаще всего - на 0,88 МГц. 3.1. Терапия, использующая тепловые эффекты ультразвука Управляемый нагрев глубоко расположенных тканей может дать в ряде случаев положительный терапевтический эффект. Высокий коэффициент поглощения ультразвука в тканях с большими молекулами обусловливает заметное нагревание коллагенсодержащих тканей, на которые чаще всего и воздействуют ультразвуком при физиотерапевтических процедурах. Основной фактор, который часто препятствует восстановлению мягкой ткани после ее повреждения это контрактура (ограничение подвижности в суставе, вызванное рубцовым стягиванием кожи, сухожилий, заболеваниями мышц, сустава, болевым рефлексом), возникающая в результате повреждения. В случае контрактуры слабое прогревание ткани повышает ее эластичность, увеличивая амплитуду движений суставов. Для нагрева сустава, окруженного значительным слоем мягких тканей, ультразвуковой способ наиболее предпочтителен, поскольку ультразвук лучше других форм диатермического воздействия (диатермия - метод электротерапии, основанный на глубоком прогревании тканей токами высокой частоты достаточно большой силы) проникает в мышечную ткань. В отличие от коротковолнового и микроволнового облучения тазобедренного сустава приводящего к ожогам на коже и в подкожных тканях без заметного повышения температуры самого сустава, нагрев ультразвуком дает адекватное увеличение температуры на кости без перегрева кожи. При этом часто отмечается ослабление болей в пораженных областях. Обезболивающий эффект может быть как кратковременным, так и продолжительным. В частности, под действием ультразвука могут ослабляться фантомные боли после ампутации конечностей, а также боли, вызванные образованием рубцов и невром. При локальном нагреве ткани возможны сосудистые реакции. Так кровоток в мышечной ткани увеличивается в 2-3 раза при ультразвуковом прогревании до температуры 40 - 45°С, что может быть связано с местным расширением сосудов, приводящее к увеличению поступления кислорода в ткань. Прогревание может уменьшать мышечные спазмы, что обусловлено седативным (успокаивающим) действием повышения температуры на периферические нервные окончания. Ультразвук позволяет быстро нагреть строго определенную область. К анатомическим структурам, которые избирательно нагреваются ультразвуком, относятся богатые коллагеном поверхностные слои кости, надкостница, суставные мениски, синовиальная жидкость, суставные сумки, соединительные ткани, внутримышечные рубцы, мышечные волокна, оболочки сухожилий и главные нервные стволы. Заключение При высокой интенсивности сильный нагрев и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в ультразвуковой хирургии. Для хирургических операций используется сфокусированный ультразвук, который позволяет локальное разрушение глубоких структур, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность ультразвука достигает сотен и даже тысяч Вт / см2). В хирургии также используются ультразвуковые инструменты, рабочий конец которых похож на скальпель, напильник, иглы и т. д. Наложение ультразвуковых колебаний на такие инструменты, которые обычно применяются в хирургии, придает им новые качества, значительно снижая необходимые усилия и, следовательно, травматизм операции; кроме того, гемостатический и анальгетический эффект проявляется. Контактное действие с тупым ультразвуковым инструментом используется для уничтожения некоторых новообразований. Влияние мощного ультразвука на биологические ткани используется для уничтожения микроорганизмов при стерилизации медицинских инструментов и лекарств. Ультразвук нашел применение в стоматологической практике для удаления зубного камня. Это позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень и зубной налет с зубов. В то же время слизистая оболочка полости рта не травмируется, «карманы» полости дезинфицируются, и пациент чувствует тепло, а не боль. Список использованной литературы и интернет-ресурсов Антонов В.Ф. Физика и биофизика. / В.Ф.Антонов, А.В.Коржуев. – М.: ГЕОТАР-МЕД, 2004. – С.7-38. Боголюбов В.М. Общая физиотерапия. / В.М.Боголюбов, Г.Н.Пономаренко– М.; СПб.: СЛП, 1996. – С. 249-259. Клячкин Л.М. Физические методы лечения в пульмонологии. / Л.М.Клячкин, Г.Н.Пономаренко. – СПб.: СЛП, 1997. – 316 с. Клячкин Л.М. Медицинская реабилитация больных с заболева- ниями внутренних органов: Руководство для врачей. / Л.М.Клячкин, А.М.Щегольков. – М.: Медицина, 2000. – 328с. Руденко Т.Л. Физиотерапия. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. – С.214-225. Улащик В.С. Ультразвуковая терапия. / В.С.Улащик, А.А.Чиркин. – Минск: Беларусь, 1983. – 254с. Ушаков А.А. Руководство по практической физиотерапии. – М.: ТОО «АНМИ», 1996. – С.94-97. |