Биоэффекты и безопасность ультразвука

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 03.02.2025

Ультразвук - это упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц и до 1 ГГц, которые не слышимы человеческим ухом. Источниками ультразвука являются все виды ультразвукового технологического оборудования; ультразвуковые приборы и аппаратура промышленного, медицинского и бытового назначения, которые генерируют ультразвуковые колебания в диапазоне от 18 кГц до 100 МГц и выше.

Различают следующие виды ультразвука:

  • низкочастотные (до 100 кГц) ультразвуковые колебания, которые распространяются контактным и воздушным путем;
  • высокочастотные (100 кГц-100 МГц и выше) ультразвуковые колебания, которые распространяются исключительно контактным путем.

Неблагоприятному воздействию ультразвука подвергаются дефектоскописты, операторы очистных, сварочных, ограночных агрегатов, медицинский персонал физиокабинетов и отделений, работники учреждений здравоохранения, проводящие ультразвуковые исследования и др. Установлено, что работающие с технологическими и медицинскими ультразвуковыми источниками подвергаются воздействию ультразвука с частотой колебаний 18 кГц-20 МГц и интенсивностью 50-160 дБ.

Воздействие ультразвука на организм человека

Ультразвуковые волны способны вызывать разнонаправленные биологические эффекты, характер которых определяется интенсивно­стью ультразвуковых колебаний, частотой, временными параметрами колебаний (постоянный, импульсный), длительностью воздействия, чувствительностью тканей.

При систематическом воздействии интенсивного низкочастотного ультразвука, если его уровень превышает предельно допустимый, у работников могут наблюдаться функциональные изменения центральной и периферической нервной системы, сер­дечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов, гуморальные нарушения. Данные о действии высокочастотного ультразвука на организм человека свидетельствуют о поли­морфных изменениях почти во всех тканях, органах и и системах. Происходящие под воздействием ультразвука (воздушного и контактного) изменения подчиняются общей закономерности: малые интенсивности стимулируют, активируют. Средние и большие - угнетают, тормозят и могут полностью подавлять функции. С 1989 года вегето-сенсорная полиневропатия рук (ангионевроз), развивающаяся у работников при воздействии контактного ультразвука, признана профессиональным заболеванием и внесена в список профзаболеваний.

Профилактика неблагоприятного воздействия ультразвука

Гигиеническое нормирование воздушного и контактного ультра­звука направлено на оптимизацию и оздоровление условий труда работ­ников, занятых выполнением трудовых функций с технологическими и медицинскими ультразвуковыми источниками. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах» устанавливают гигиеническую классификацию ультразвука, воздействующего на чело­века - оператора, нормируемые параметры и предельно допустимые уровни ультразвука для работающих и населения, требования к контролю воздушного и контактного ультразвука, а также меры профилактики.

При совместном воздействии контактного и воздушного ультра­звука следует применять понижающую поправку (5 дБ) к предельно допустимому уровню контактного ультразвука, облачающего более вы­сокой биологической активностью. Уровни воздушного и контактного ультразвука от источников бытового назначения (стиральные машины, устройства для отпугивания насекомых, грызунов, собак, охранная сигнализация и пр.), которые работают на частотах ниже 100 кГц, не должны превышать 75 дБ на рабочей частоте.

И целях профилактики неблагоприятного воздействия на работни­ков ультразвука можно также руководствоваться ГОСТ 12.4.077-79 «ССБТ. Ультразвук. Методы измерения звукового давления на рабочих местах», ГОСТ 12.2.051-80 «ССБТ. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности», ГОСТ 12.1.001-89 «ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности» и другими нормативно-методическими документами.

Защита от неблагоприятного воздействия ультразвука

Защита работников от неблагоприятного воздействия ультразвука достигается путем:

7,4,2, БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА И БЕЗОПАСНОСТЬ

Широкое применение ультразвуковых методов в диагностике обус­ловлено в значительной степени тем фактом, что ультразвуковое излучение не оказывает вредного воздействия на пациента* Дейст- вительно, в течение приблизительно 25 лет продолжается интенсив­ное клиническое использование ультразвука в акушерстве — обла­сти, где оценка биологического действия ультразвука наиболее ак­туальна.

За этот период выполнены многочисленные исследования, целью которых было выявление каких-либо нежелательных эффек­тов ультразвукового воздействия, однако эти исследования показа­ли , что ультразвук при тех интенсивностях, которые используются в настоящее время для диагностики, не оказывают какого-либо воз­действия на эмбрион или организм матери. Весьма маловероятно, что за такой промежуток времени не были бы выявлены и описаны какие-либо отдаленные (систематические) последствия ультразвуко­вого воздействия на эмбрионы, если бы они существовали. Тем не менее все ясно осознают, что отсутствие подтверждения опасности применения ультразвука не является еще доказательством невоз­можности нанесения вреда. Ультразвуковое зондирование следует применять осторожно, с минимальным временем экспонирования и малыми уровнями акустической интенсивности и только в тех слу­чаях, когда очевидна его медицинская целесообразность.

Действительно, биологические эффекты, возникающие при аку­стических мощностях, превышающих диагностические уровни, хо­рошо известны, в какой-то мере понятны их механизмы. Эти эф­фекты широко используются в терапии. Разработчики ультразвуко­вой диагностической аппаратуры в силу конкуренции на рынке по­стоянно прилагают усилия для повышения показателей качества ультразвуковой аппаратуры, что иногда достигается з& счет увели­чения выходной акустической мощности прибора и сопровождается ростом максимальных (по пространству) значений интенсивности. Этот рост особенно заметен при введении усовершенствованных методов фокусировки.

Таким образом, прежде чем разрабатывать стандарты на безопасные выходные уровни мощности ультразвуко­вой аппаратуры и на методики акустических измерений, необходи­мо получить представление о возникающих биологических эффек­тах и механизмах, ответственных за их возникновение. Кроме того, необходимо установить степень опасности ультразвукового воздей­ствия и найти соответствующую взаимосвязь между дозой облуче­ния ультразвуком и результирующим биоэффектом. Все эти вопро­сы в настоящее время являются предметом многочисленных дис­куссий и исследований, к которым мы еще вернемся в гл. 15, анали­зируя потенциальную опасность применения других видов излуче­ния, используемых для целей визуализации.

С точки зрения физики и биофизики взаимодействия ультразвука с биологическими средами можно выделить целый ряд возможных 1А. Клиническое применение

механизмов биологического действия ультразвука на ткани орга­низма. Это усложняет анализ вопроса о взаимосвязи между дозой облучения и результирующим биоэффектом, поскольку можно предположить, что при разных условиях воздействия преобладаю­щую роль будут играть разные механизмы.

Тепловые механизмы проявляются в тех случаях, когда погло­щение акустической энергии приводит к локальному росту темпера­туры среды, причем основной вклад в акустическое поглощение да­ют такие механизмы диссипативных потерь, как молекулярная ре­лаксация, внутреннее трение и относительное движение частиц сре­ды. Параметрами воздействия, взаимосвязанными с тепловыми ме­ханизмами, являются интенсивность и время облучения. Вообще говоря, принято считать, что диагностические уровни интенсивно­сти (SPTA) слишком малы, чтобы вызвать заметное увеличение температуры тканей, представляющее какую-либо опасность.

Кавитация, под которой понимается процесс роста й колебаний газовых пузырьков в поле акустической волны, обычно возникает в тех случаях, когда используется ультразвук высокой мощности в режиме непрерывного излучения, хотя имеются подтверждения то­го, что кавитация в некоторой ограниченной форме (не представля­ющей, как правило, опасности для пациента) может наблюдаться а при использовании диагностического ультразвука с малым числом периодов колебаний в импульсе.

При исследовании кавитации необ­ходимо знать такие параметры, как максимальное отрицательное давление и длительность импульса, поскольку именно в фазе разре­жения волны газ диффундирует из раствора в воздушный пузырек, что приводит к росту последнего. Следует заметить, что значение давления (SPTP) в импульсах, генерируемых диагностическими дат­чиками, были бы вполне достаточными для возникновения кавита­ции, если бы эти импульсы содержали сравнительно большое число периодов колебаний. В связи с этим возросшее применение импульсно-доплеровсхих систем, характеризующихся более длин­ными импульсами (и более высокой ЧПИ) по сравнению с теми им­пульсами, с которыми обычно имеют дело в системах визуализа­ции, требует тщательного контроля за возможным возникновением кавитации. Большей частью исследования кавитации проводились в жидкостях, насыщенных газом. Кавитация возможна и в тканях in vivo, хотя, как установлено, в тканевых структурах она менее веро­ятна, чем в жидкостях. При достаточно высоких уровнях интенсив- ности и в непрерывном режиме излучения опасность возникновения кавитации связана с механическим воздействием образующихся ударных волн и акустических течений на клеточные мембраны (воз­можен, например, разрыв мембраны), а также с химическими реак­циями, инициируемыми высвобождением водорода и гидроксиль­ных ионов. При малых интенсивностях указанные эффекты от­сутствуют, поэтому мы не имеем данных, подтверждающих какое- либо вредное воздействие слабых эффектов кавитации, которые мо­гут возникнуть (а могут и не возникнуть) in vivo при ультразвуко­вом зондировании.

К нетепловым механизмам действия ультразвука относятся ста­ционарное радиационное давление, воздействующее на все тканевые структуры (в том числе и на подвижные), перемешивание поглоща­ющих ультразвук жидкостей за счет возникновения акустических потоков, сдвиговые напряжения в структурах, находящихся в аку­стических потоках в жидкости, и непосредственное воздействие си­лы колебаний звукового поля на любые биоструктуры.

В настоящее время наблюдается большой дяфицит долговремен­ных эпидемиологических исследований, которые могли бы обнару­жить слабый статистический эффект воздействия ультразвука на эмбрион. Действительно, надежда на возможность проведения де­тального анализа подобного рода становится все более призрачной. Связано это с тем, что на фоне почти всеобъемлющего применения ультразвука в акушерстве задача создания контрольной группы из беременных женщин, которые не проходили бы ультразвукового обследования, становится очень трудной. Поиски в этом направле­нии продолжаются (главным образом в лабораторных условиях), и производится также накопление более достоверных данных о допу­стимых уровнях ультразвукового облучения. При этом исследуются различные эффекты (in vivo и in vitro)t которые в принципе могут иметь клиническую ценность. Как правило, в лабораторных усло­виях используют уровни облучения, немного превышающие уровни, характерные для клинической диагностики. В результате этих ис­следований удалось выявить много новых эффектов биологического воздействия ультразвука, причем некоторые т них оказались бла- гоприятными. Конечно, самыми важными из всех работ представ­ляются те, которые позволили бы ответить на вопрос, может ли ультразвуковое облучение вызывать какие-либо генетические изме­нения. К сожалению, некоторые эксперименты на ДНК проводи­лись in vitro без тщательного контроля и поэтому были искажены многими артефактами. Кроме того, условия ультразвукового облу­чения in vitro допускали возможность проявления таких механиз­мов взаимодействия, которые могут и не существовать при иссле­дованиях in vivo. К настоящему времени из большого числа прове­денных исследований только две работы показали возможность

повреждения хромосом при ультразвуковом облучении, что, одна­ко, не получило подтверждения при повторной постановке анало­гичных экспериментов другими исследователями. Подавляющее большинство экспериментальных исследований показало отсутст­вие биоэффектов на генетическом уровне.

Данный вывод подтверж­дается очень большой серией экспериментов in vivo по ультразвуко­вому облучению эмбрионов млекопитающих in utero, показавших отсутствие вредных эффектов (в смысле отклонений в развитии эм­брионов или появления у них уродств) при используемых в диагно­стике уровнях интенсивности* Исследования в данном направлений продолжаются.

Основываясь на систематическом анализе опубликованных и проверенных данных, Американский институт по применению уль­тразвука в медицине (AIUM) еще в 1977 г, получил следующий ре­зультат: а) ультразвуковое облучение не оказывает заметного био­логического действия на ткани млекопитающих при интенсивностях ультразвука (SPTA) ниже 100 мВт/см 2 и б) даже при более высоких уровнях интенсивности отчетливо выраженные биологические эф­фекты отсутствуют, если произведение интенсивности (SPTA) на время облучения не превышает 50 Дж/см 2 (под временем облучения в импульсном режиме понимают полное время работы, включаю­щее в себя те интервалы, когда система действует в режиме как излучения, так и приема), Указанные выше оценки в настоящее вре­мя используют для определения верхнего безопасного предела вы­ходной акустической мощности, хотя реально акустическая доза об­лучения оказывается заниженной из-за ослабления излучения биоло­гическими тканями, а также из-за уменьшения времени в процессе сканирования, в течение которого какой-либо конкретный участок биоткани находится в акустическом поле* Во всяком случае приве­денные данные АШМ являются недостаточно полными и нужда­ются в дальнейшем накоплении статистики и возможной коррекции с использованием результатов более специфических и тонких экспе­риментов, а также в более точном учете влияния импульсного ре­жима работы и частоты*

Экспериментальная проверка современной диагностической ап­паратуры показывает, что выходная мощность различных прибо­ров может изменяться в очень широких пределах, причем в ряде случаев измеренные значения превышают рекомендованные пре­дельные уровни* Ультразвуковые доплеровские приборы с непре­рывным излучением имеют более высокие уровни интенсивности SPTA (20—800 мВт/см 2 ) по сравнению с эхо-импульсными сканера­ми (0,07—680 мВт/см 2 ), в то время как последним нередко присуши чрезвычайно высокие уровни интенсивности SPPA (0,4—1100 Вт/см 2 ) и SPTP (0,7—2800 Вт/см 2 ).

Вредно ли делать УЗИ?

Ультразвуковое исследование активно применяется при диагностике самых разнообразных заболеваний. Любой пациент может записаться на УЗИ без направления врача и получить необходимую информацию о состоянии своего здоровья, при этом вопросы касательно безопасности метода продолжают регулярно возникать. Например, каждый человек знает, что рентгеновское излучение в больших дозах вредно для здоровья, поэтому такой вид исследования назначается только по показаниям. Может ли УЗИ приводить к осложнениям и представлять опасность для здоровья? Разберем этот вопрос более детально.

Принцип метода

Ультразвуковые волны, как и любые другие звуки, которые окружают нас, представляют собой механические колебания частиц в какой-либо среде. Однако они имеют очень большую частоту, поэтому не воспринимаются органом слуха.

Если говорить об УЗИ, то в большинстве аппаратов применяется диапазон частот от 0,8 до 15 МГц. При этом ультразвуковые волны имеют несколько важных свойств: они могут распространяться в средах организма, отражаться от границ между этими средами и фокусироваться. Среди других важных характеристик - скорость распространения, интенсивность и энергия. Изменяя эти параметры, можно получать желаемый эффект, например, если требуется увеличить глубину исследования, то нужно снизить частоту ультразвуковых волн или увеличить их интенсивность. Увеличение частоты ультразвука позволит повысить разрешающую способность.

Современные аппараты УЗИ комплектуются несколькими типами датчиков, каждый из которых испускает ультразвуковые волны с определенными показателями. Они проникают в ткани и отражаются от них, при этом каждый вид ткани обладает разным акустическим сопротивлением. Таким образом, изображение на экране аппарата формируется с учетом акустического сопротивления, количества сигнала, который был сгенерирован датчиком, и количества сигнала, который вернулся обратно.

Биологические эффекты ультразвука

Проходя через различные ткани организма, ультразвуковые волны могут оказывать различные эффекты, среди которых можно отметить:

  • Термический эффект. При прохождении через ткани часть ультразвуковых волн поглощается, что приводит к преобразованию акустической энергии в тепло.
  • Механический эффект. Возникает в результате колебания частиц среды при прохождении через нее ультразвука.
  • Химический эффект. Известно, что ультразвуковые волны обладают окисляющим действием. Они могут инактивировать ферменты и ускорять протекание химических реакций.

Стоит отметить, что интенсивность проявления данных эффектов зависит от характеристик ультразвуковых волн. Это свойство активно применяется на практике, в частности, механический эффект нашел свое применение при бесконтактном дроблении камней, а также при улучшении кровообращения и лимфооттока. Химический эффект оказывает свое влияние не только на ткани человека, но и на микроорганизмы, что тоже может быть применено в лечебных целях.

В УЗ-аппаратах применяются волны с определенными параметрами. Они не могут дробить камни, приводить к нагреву тканей и влиять на химические реакции. Говоря другими словами, ультразвуковое исследование - абсолютно безвредная процедура для людей всех возрастов.

Насколько безопасно УЗИ

Исследования, посвященные безопасности ультразвука, начали проводиться еще задолго до его активного применения в медицине. В 1917 году было установлено, что если в воду поместить генератор УЗ-волн, то рыбы, которые в ней находились, моментально умирали. Если же человек опускал руку в бочку с водой, то от чувствовал выраженную боль. В этом эксперименте использовался генератор, который излучал волны с частотой 150 кГц, что несопоставимо с показателями, которые применяются в современных ультразвуковых аппаратах (до 15 МГц).

Современные исследования начали проводить в 1970-х годах. В это время был введен термин ультразвуковая дозиметрия, она подразумевала экспериментальный расчет определенных безопасных показателей. Спустя пять лет такие показатели были приняты и используются в медицине до сих пор, но с некоторыми корректировками. Аппараты для проведения УЗИ, которые применяются в наше время, выводят на экран важные показатели, которые позволяют врачу соотносить риски и возможную пользу от исследования.

В 1992 году Американский институт по применению ультразвука в медицине констатировал, что УЗИ является безопасным методом диагностики и не приводит к развитию неблагоприятных эффектов. Какие аргументы можно привести в пользу безопасности ультразвукового исследования?

  • УЗИ не оказывает лучевой нагрузки на организм, в отличие от методов на основе рентгеновского излучения.
  • Ультразвук и эффекты, которые он оказывает, не могут накапливаться в организме, поэтому исследование может выполняться регулярно, без каких-либо последствий.
  • Метод не влияет на работу электронных имплантируемых устройств, поэтому пациенты с кардиостимуляторами могут без опасений проходить исследование.
  • УЗИ является неинвазивной процедурой, не сопровождается повреждением кожных покровов, не вызывает боли или неприятных ощущений.
  • Не имеет абсолютных противопоказаний.
  • Ультразвуковое исследование не приводит к развитию осложнений или отдаленных неблагоприятных последствий.

Ввиду высокой степени безопасности и не менее высокой информативности УЗИ активно применяется во многих направлениях медицины. Исследование назначается пациентам в любом возрасте, с любой сопутствующей патологией.

Материал подготовил
специалист медицинского центра "УРО-ПРО"
Матвеева Наталья Сергеевна,
врач УЗИ, стаж 10 лет

Биологическое действие ультразвука и безопасность

Биологическое действие ультразвука и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Знания о биологическом воздействии ультразвука базируются на изучении механизмов воздействия ультразвука, изучении эффекта воздействия ультразвука на клеточные культуры, экспериментальных исследованиях на растениях, животных и, наконец, на эпидемиологических исследованиях.

Ультразвук может вызывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвукам его частоты. Кавитация -- это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна.

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука в медицине следующее заявление, которое в последний раз было подтверждено в 1993 году: «Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентов или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением (ультразвуком), интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует».

Выводы

Проанализирована проблема остеопороза на сегодняшний день.

Рассмотрены методы диагностики этого заболевания, отмечены их достоинства и недостатки.

Показано, что наиболее информативным и доступным методом на сегодняшний день является ультразвуковая диагностика.

Представлен синтез ультразвуковой установки для диагностики остеопороза и расчет генератора гармонических колебаний.

Перечень ссылок

1. В.Б. Акопян, Ю.А.Ершов. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. - М.: Издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2005. - 225 с.

2. В.В. Митьков. Клиническое руководство по ультразвуковой диагностике. - М.: Видар, 1996. - 322с.

3. Под ред. К.Хилла. Применение ультразвука в медицине. Физические основы. - М.: Мир, 1989. - 562с.

4. В.А. Шутилов. Основы физики ультразвука. - Л.: Издательство Ленинградского университета, 1980. - 280с.

5. Риггз, Б.Лоренц. Остеопороз: этиология, диагностика, лечение. Перевод с англ. И.А.Скрипников. - М.: Бином, 2000. - 558с.

6. Российский конгресс по остеопорозу. - Ярославль, 2005. - 212с.

7. В.В. Поворознюк, Е.П. Подрушняк. Остеопороз на Украине. - К.: 1995. - с.3-47.

8. С.П. Моршнева. Методические рекомендации по диагностике, лечению и профилактике остеопороза. - Одесса, 2010.

Научная электронная библиотека


В процессе эволюционного развития биообъектов на формирование их биологических свойств оказывали влияние многие абиотические факторы, в том числе природные фоновые излучения. В последние десятилетия в связи с резко возросшей антропогенной и техногенной нагрузкой произошло резкое повышение уровня абиотических излучений и, соответственно, увеличилось влияние этих факторов на биоклетки, что с большой вероятностью может способствовать фенотипическим изменениям биологических свойств, вплоть до развития мутаций [13, 112, 139]. Поэтому, в современной микробиологии актуальными являются вопросы изучения особенностей и механизмов влияния внешних физических факторов на состояние микроорганизмов, в частности на бактерии, для возможного использования этих воздействий в решении прикладных задач и внедрения новых технологий в медицине и биологии.

Одним из факторов, способным влиять на функциональное состояние микроорганизмов, является ультразвук (УЗ). Несмотря на то, что УЗ давно используют в различных отраслях науки, техники, медицины его влияние на микроорганизмы требует более детального изучения [20, 22, 121, 143]. Ультразвуковые волны обладают большой механической энергией и вызывают ряд физических, химических и биологических явлений. Поэтому не случаен интерес к изучению влияния и механизмам действия этого физического фактора на биологические объекты.

Ультразвуковыми называются упругие акустические волны, способные распространяться в материальных средах (твердых, жидких, газообразных). Нижняя граница УЗ лежит в области 16-20 кГц, верхняя достигает сотен мегагерц. Обе границы достаточно условны и находятся за пределами слышимости человека. Упругость обеспечивает возвращение в исходное положение частиц среды, смещенных под воздействием внешних сил. Частицы среды при этом не переносятся в направлении распространения волн, а лишь колеблются около положения равновесия. Возмущение от частиц, колеблющихся в каждом слое около положения равновесия, передается от слоя к слою по направлению распространения волны. Таким образом, в акустической волне происходит перенос энергии без переноса вещества. Волны бывают продольными, если направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волн, и поперечными, если эти направления взаимно перпендикулярны [70, 74]. В газообразных и жидких средах, в мягких тканях макроорганизмов и в клетках микроорганизмов, состоящих на 75 % из воды, распространяются продольные волны.

При прохождении УЗ в биологических объектах частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями, при этом на расстояниях, равных половине длины звуковой волны, в облучаемой среде могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия на структуру биологических объектов приводят к различным эффектам, физическая природа которых связана с действием факторов, сопутствующих распространению ультразвука в среде: механического, теплового, физико-химического.

Одним из механизмов воздействия УЗ на биообъекты являются звукохимические реакции. Химические превращения наблюдаются при интенсивности УЗ от долей Вт/см2 до десятков или сотен Вт/см2 на частотах от 1 кГц до нескольких МГц. Так как эти частоты на много порядков меньше собственных частот колебаний молекул, химических изменений в системе вследствие резонансного поглощения УЗ не наблюдается и варьирование частоты в указанном диапазоне мало сказывается на характере возникающих в биосистеме реакций [237, 227].

Биологическое действие ультразвуковых волн связывают в большей степени с явлением кавитации. Кавитацией называется процесс образования в жидкой среде полостей, заполненных парами самой жидкости, которые возникают под действием больших разрывающих напряжений и в следующее мгновенье захлопываются, сопровождаясь большими давлениями и локальным нагревом среды [73, 93, 152]. Явление кавитации носит локальный характер и не перемещается в среде. Импульсы давления, возникающие при смыкании кавитационных каверн, способны разрушать не только твердые и жидкие тела, но и многие биообъекты, в частности микроорганизмы.

Химическое действие УЗ при кавитации, возможно, обусловлено образованием на стенках кавитационной полости электрических микрозарядов с последующим электронным пробоем. Однако многие экспериментальные факты в рамках такого представления объяснить не удается. Наиболее оправданным является представление о тепловом механизме химического действия кавитации, так как при сжатии кавитационного пузырька температура в нем может достигать 95 °С. Большинство химических превращений под действием УЗ происходит в водных растворах. При высокой температуре молекулы воды внутри кавитационного пузырька переходят в возбужденное состояние и расщепляются на радикалы Н+, ОН-, а также, возможно, ионизируются с образованием гидратированных электронов, т.е. электронов с присоединенными к ним нейтральными молекулами воды. Частично радикалы рекомбинируют, причем состав конечных радикальных и молекулярных продуктов разложения воды в ультразвуковом поле зависит от природы растворенного в воде газа. Так, при воздействии УЗ на воду, в которой растворен воздух, образуются оксиды азота и перекись водорода. Кроме того, пропускание ультразвука через вещества ускоряет ход некоторых химических реакций. Обычно ускоряются реакции, идущие в присутствии Н2О2 и Н+, и особенно окислительные реакции под воздействием атомарного кислорода. Ускорение ряда химических реакций обусловлено действием различных физико-химических эффектов, связанных с ультразвуковой дегазацией, диспергированием, эмульгированием, локальным нагреванием при кавитации и др. Под действием УЗ происходит детонация дихлористого азота, что способствует расщеплению белковых частиц. Таким образом, ультразвуковые колебания могут применяться для инициирования химических реакций, осуществления ряда новых методов синтеза и ускорения медленных реакций в органической системе [80, 74, 82].

Имеются данные о том, что образование свободных радикалов ОН- и Н+ под действием УЗ вызывает изменение рН в биологических тканях в щелочную или кислую сторону в зависимости
от интенсивности и продолжительности воздействия [20, 160, 205]. Изменение рН воспаленных тканей в щелочную сторону вызывает анальгезирующий эффект вследствие резкого уменьшения воспалительных явлений, что используется в физиотерапии.

Помимо химического воздействия, в зависимости от интенсивности и длительности облучения, УЗ оказывает различное механическое воздействие на биологические объекты. Так, при малых интенсивностях (до 2-3 Вт/см2) на частотах порядка 105-106 Гц колебания частиц биологической среды производят своеобразный микромассаж тканевых элементов, способствующий лучшему обмену веществ. Для организма человека и животных такое воздействие улучшает снабжение тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности УЗ может привести к возникновению в биологических средах кавитации, а следовательно, и к механическому разрушению клеток и тканей; кавитационными «зародышами» при этом служат всегда имеющиеся в цитоплазме биологических клеток газовые пузырьки [55, 135, 171].

При распространении УЗ в биологических средах происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую. Характерно, что образование тепла осуществляется не равномерно по всей толще тканей, а проявляется наиболее заметно на границах сред с волновыми сопротивлениями. Однако значительное повышение интенсивности УЗ и увеличение длительности его воздействия могут привести к чрезмерному нагреву биологических структур и к их разрушению. Поэтому тепловой эффект, наряду с кавитацией, используют в качестве основных действующих факторов в ряде ультразвуковых хирургических операций, например, для регенерации поврежденных тканей [14, 160].

Причиной изменений, возникающих в биологических объектах под действием УЗ, могут быть также вторичные эффекты физико-химического характера. Так, благодаря образованию акустических потоков, происходит энергичное перемешивание внутриклеточных микроскопических структур. Кавитация в среде приводит к разрыву молекулярных связей, молекулы воды распадаются на свободные радикалы ОН- и Н+, что является первопричиной действия УЗ. Подобным же образом происходит расщепление под действием УЗ высокомолекулярных соединений в биологических объектах (например, крахмала, нуклеиновых кислот, белковых веществ) клетки.

Одной из основных особенностей воздействия УЗ на микроорганизмы можно считать его влияние на клеточные мембраны. Действие УЗ может приводить к существенному изменению механических, электрических и иных свойств клеточных мембран, а также к нарушению внутреннего состава клеток и изменению концентраций веществ, растворенных в цитоплазме. При длительном воздействии УЗ последствия остаются в течение некоторого времени после прекращения облучения, и нормальная жизнедеятельность клетки может не восстановиться в течении минут, часов или даже дней. Разрыв клеточных мембран и нарушение механической целостности клеток - наиболее очевидное из возможных последствий ультразвукового облучения. Установлено, что особенно опасен для микроорганизмов низкочастотный УЗ, т.к. мощный низкочастотный ультразвук способен механически разрывать клеточные мембраны, что приводит к нарушению целостности и гибели клеток [20, 22, 118]. Однако даже при низких частотах механическое повреждение и гибель клеток происходят только при достаточно высоких интенсивностях УЗ, существенно превышающих физиологические дозы.

Изменение свойств мембраны под действием УЗ обусловлено по большей части «отрыванием» мощным излучением макромолекул и молекулярных комплексов с внешней поверхности мембраны. Оторванные соединения растворяются в окружающей среде и могут снова «вернуться» на свое прежнее место через некоторое время после прекращения ультразвукового воздействия. Оставшись без определенных составляющих, мембранные каналы меняют свою проводимость и иные свойства, в результате чего мембрана начинает аномально функционировать. У некоторых бактерий под действием УЗ наблюдается генерация мембраной электрического потенциала действия. Это вынужденное возбуждение связано с описанным выше изменением электрических свойств мембраны [92, 22].

Следующая важная особенность действия УЗ на микроорганизмы - изменение концентрации различных веществ в составе цитоплазмы за счет изменения равновесной концентрации веществ вне и внутри клетки: акустическая волна создает микровихри в окружающей клетку среде, обеспечивая эффективное перемешивание
раствора. Таким образом воздействие УЗ приближает концентрацию веществ в цитоплазме, особенно ионов легких металлов, к их концентрации вне клетки. Это делает клетку более зависимой от состава внешней среды и может нарушить внутренние процессы жизнедеятельности. Нарушение внутреннего состава клетки и, как следствие, процессов ее жизнедеятельности, является наиболее глубоким и долгосрочным изменением. Последствия такого рода могут оставаться в силе по прошествии нескольких часов, а то и дней после окончания воздействия УЗ. По мере убывания интенсивности ультразвука эти последствия можно упорядочить следующим образом: нарушение целостности клетки - изменение свойств мембраны - изменение концентраций веществ в цитоплазме - нарушение жизнедеятельности.

Эффекты, достигаемые в результате облучения ультразвуком биологических объектов, обычно обусловлены совместным действием многих факторов, и не всегда ясно, какой из них играет первостепенную роль. Решение ряда задач, связанных с практическим применением УЗ в микробиологии, предполагает изучение характера акустического поля, т.е. распределения в пространстве звукового давления или интенсивности [239, 222].

Ультразвуковые колебания высокой интенсивности, повреждая клеточные оболочки микроорганизмов, вызывают их гибель. Еще с 1928 года ученые начали исследовать влияние УЗ на микроорганизмы и установили, что облучение бактерий группы кишечных палочек приводило к уменьшению их числа [28, 70, 160]. В последующие годы было опубликовано большое число работ о действии акустических волн на бактерии и вирусы. При этом выяснилось, что результаты могут быть очень разнообразные: с одной стороны, исследователи наблюдали повышение агглютинации, потерю вирулентности, или полную гибель бактерий, с другой стороны, отмечался обратный эффект - увеличение числа жизнеспособных особей. Последнее особенно часто имело место после кратковременного облучения. Очевидно, кратковременное действие УЗ способствует механическому разделению скоплений бактериальных клеток, благодаря чему каждая отдельная клетка дает начало новой колонии [180, 143].

Большинство патогенных микроорганизмов чувствительны к действию низкочастотного ультразвука. Так, при облучении гноеродной микрофлоры ран УЗ низкой частоты увеличивается чувствительность бактерий, как Гр- (P. aeruginosa, E. сoli), так и Гр+ (S. aureus)
к действию дезинфицирующих и антибактериальных препаратов
[67, 79]. Эффективно применение низкочастотного ультразвука в сочетании с различными антимикробными препаратами и для лечения бактериальных инфекций, связанных с образованием биопленок. Биоакустический эффект проявляется в уменьшении жизнеспособности бактерий в биопленках в результате одновременного воздействия низкочастотного ультразвука и антимикробных препаратов.

Известно, что применение ультразвуковых волн малых интенсивностей (до 2 Вт/см2) обычно вызывает положительные биологические эффекты. В опытах многих исследователей после обработки микроорганизмов ультразвуком малой интенсивности наблюдалось увеличение их чувствительности к лекарственным, противомикробным препаратам и дезинфицирующим средствам вследствие повышения проницаемости оболочки микробных клеток [85, 205].

Механизм бактерицидного действия УЗ в литературе объясняется двумя теориями: кавитационно-механической и кавитационно-электрохимической. Согласно первой теории - ультразвуковые волны, распространяясь в упругой среде, вызывают в ней попеременные сжатия и разряжения. В клетке создаются огромные давления, достигающие десятков и сотней МПа, что вызывает механическое разрушение цитоплазматических структур и гибель клетки. Кавитационно-электрохимическая теория объясняет ионизацию паров жидкостей и присутствующих в ней газов при образовании кавитационного пузырька. При разрыве пузырька происходит электрический разряд, сопровождающийся резким повышением температуры и возникновением в кавитационной полости электрического поля высокого напряжения. При этом пары жидкости и высокомолекулярные соединения в кавитационной полости расщепляются на водород и гидроксильную группу с образованием активного кислорода, перекиси водорода, азотистой и азотной кислот, в результате чего происходят инактивация ферментов и коагуляция белков. Все это приводит к гибели микробной клетки. Наиболее опасен для жизнедеятельности микробов низкочастотный УЗ (от 20 до 100 кГц), приводящий в первую очередь к их дезинтеграции [74, 80, 205].
Однако эффективность действия УЗ при одной и той же интенсивности и частоте колебаний также зависит от продолжительности воздействия, химического состава облучаемой среды, ее вязкости, температуры, рН и исходной степени обсемененности микроорганизмами. Чем больше микроорганизмов, тем продолжительнее должно быть воздействие для достижения стерилизующего эффекта [139, 143].

Устойчивость бактерий к действию УЗ зависит также от их биологических свойств. Вегетативные клетки более чувствительны, чем споры, кокковые формы погибают медленнее, чем палочковидные, более крупные клетки микроорганизмов отмирают быстрее, чем мелкие (максимальная чувствительность у лептоспир, а наиболее устойчивы стафилококки). Низкочастотный УЗ применяют для дезинтеграции микроорганизмов при изготовления вакцин, мойки и стерилизации стеклянной тары, а также при извлечении внутриклеточных ферментов, токсинов, витаминов, нуклеиновых кислот и других компонентов клетки. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды [237, 239].

Разрушительное действие УЗ распространяется не только на бактерии, но и на некоторые вирусы. Ультразвуковые волны при частоте колебания 1-1,3 МГц в течение 10 минут оказывают бактерицидный эффект на указанные микроорганизмы [92, 121, 160]. Это позволяет использовать его для инактивации и дезинтеграции вирусов и других микроорганизмов с целью получения антигенов, вакцин и диагностикумов. Подвергая бактерии ультразвуковому воздействию определенной частоты и интенсивности, можно выделить из них не только антигены, но и токсины. Более того, действие ультразвука на выделенные токсины патогенных микроорганизмов может приводить к изменению их биологических свойств, что особенно важно для борьбы с возбудителями опасных инфекций [205, 210, 217].

В последнее время повышенное внимание к ультразвуковым технологиям в микробиологии обусловлено не только непосредственным воздействием на биообъекты, но также возможностью применения их для решения задач, связанных с изменениями физико-химических характеристик субстратов для культивирования микроорганизмов. Применение таких технологий актуально для регулирования состава искусственных питательных сред, в частности концентрации и активации молекулярного кислорода путем ультразвуковой дегазации среды. Таким образом, снижение концентрации кислорода в субстрате или в суспензии микроорганизмов обеспечивает микроаэрофильные условия культивирования бактерий, максимально приближая к условиям колонизации макроорганизма, что особенно важно для изучения процессов патогенеза многих инфекционных заболеваний и устойчивости к химиопрепаратам.

В настоящее время применение ультразвуковых технологий является перспективным для разработки иммунобиологических препаратов нового поколения, поскольку процессы кавитации могут быть использованы для перемещения определенных биомолекул внутрь бактериальных клеток для изменения их биологических свойств.

Читайте также: