«А. С. Шиляев С. П. Кундас А. С. Стукин ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ И ЭКОЛОГИИ Учебно-методическое пособие Рекомендовано к изданию УМО высших учебных заведений Республики Беларусь по ...»

Жизнеспособность зуба в значительной степени зависит от кровоснабжения зубной пульпы. До настоящего времени оценку зубного кровообращения связывали с чувствительностью зуба. Недавно была сделана попытка применить доплеровский метод для изучения зубного кровотока.

Датчик крепится на поверхности зуба. Трудности исследования были связаны, во-первых, с тем, что значительная часть интенсивности ультразвука отражалась на границе «кость – пульпа», так как скорости ультразвука в этих средах, а следовательно, и акустические сопротивления значительно различаются. Во-вторых, скорость кровотока в пульпе равна 0,28 см/с, т. е. очень мала, а поэтому мала также и доплеровская частота. Так, при v0 = 10 МГц и величина vZ » 200 кГц, а это создает трудности при ее регистрации. Несмотря на это метод исследования зубного кровообращения ультразвуком достаточно перспективен.

Рэлеевское рассеивание ультразвука может происходить не только на форменных элементах крови, взвешенных в движущейся плазме, но и на частичках жира, взвешенных в молоке. Поэтому доплеровский расходомер можно применить также и для исследования потока молока, что весьма важно при выяснении условий кормления детей и молодняка животных. К соску прикрепляют малых размеров датчик, который не препятствует ребенку в процессе кормления. Измеряется объемный расход молока, который, как показали исследования, меняется в пределах одного кормления от 330 до 5 мл/мин., что соответствует скоростям потока молока в пределах 176–2,7 см/с. В ходе подобных измерений оказалось, что объемный расход молока при сцеживании отличается от получаемого при нормальном физиологическом акте кормления. Аналогичные результаты получены и при исследовании кормления телят.

Рэлеевское рассеивание ультразвука происходит также на газовых пузырьках, попадающих в кровеносные сосуды, – например, при декомпрессии или при нейрохирургических операциях, что представляет большую опасность для организма. Доплеровские частоты, возникающие при отражении ультразвука от газовых пузырьков, хорошо регистрируются на мониторе.

Наличие газовых пузырьков можно обнаружить в некоторых случаях и простым стетоскопом, но с гораздо меньшей чувствительностью.

Доплеровский метод позволяет легко определять, снабжается ли кровью имплантированная почка, обнаруживать в венах тромбы с точностью до 50 % (тогда как обычные методы позволяют делать это с точностью не более 5 %), отличать желчные протоки от кровеносных сосудов и т. п.

Необходимо отметить, что доплеровские методы в гемодинамике уже вышли из стадии лабораторных исследований. В настоящее время налажен серийный выпуск аппаратуры, как стационарной, так и портативной, которая предназначена для различных диагностических исследований.

3.2. Применение ультразвукового доплеровского эхометода в кардиологии Ультразвуковая доплеровская кардиография является наиболее адекватным методом прижизненной оценки сердечной деятельности.

Средняя скорость движения стенки желудочка за время изгнания крови может быть вычислена по рентгенограмме. Однако, даже не говоря о нежелательности работы с ионизирующими излучениями, рентгенограмма имеет искажения, вызванные несинхронными записями. Кроме того, следует учитывать, что усреднение скорости такого неравномерного движения, каким является движение стенок сердца в период систолы, дает малую информацию о работе сердца. Для диагностических целей важно знать максимальные и мгновенные значения скоростей стенок сердца с разверткой по времени. Именно эти параметры удается получить доплеровским методом, который позволяет регистрировать доплеровские частоты, вызванные отражением ультразвука от движущихся участков сердца.

Принципиальные схемы регистрации сигналов аналогичны схемам рис. 3. и рис. 3.4. Существующие установки могут измерять расстояние до участков сердца, их размеры, скорости и ускорения, фиксировать начало и длительность различных фаз сердечного цикла.

Трудности, связанные с этим методом, обусловлены тем, что приходится одновременно регистрировать отражения от передней и от задней стенок желудочков, колеблющихся в противоположных направлениях и создающих комбинационные частоты, которые с трудом поддаются разделению. Кроме того, различная дальность относительно приемника колебаний передней и задней стенок желудочков приводит к ошибкам в регистрации моментов начала и конца их движений. Тем не менее эти трудности преодолимы. Применяя уже известную радиолокационную методику, обеспечивающую временную селекцию информации о параметрах движений целей, находящихся на различном удалении от приемника, удалось создать аппаратуру, которая позволяет определять геометрические и кинематические характеристики элементов сердца. Измерения основаны на определении величины временного интервала между отраженными ультразвуковыми импульсами и выделением доплеровского сдвига фаз за период посылки с помощью фазочувствительного детектора.

Исследования этим методом позволяют получать интересные результаты. Так, доплеркинетограмма ускорения миокарда у здоровых людей показала, что в левом желудочке среднее ускорение составляет 94,36 см/с2, ускорение при быстром изгнании крови – 78,5 см/с2 и ускорение при быстром наполнении – 11,8 см/с2. Эти величины получить иными способами ранее не удавалось.

Изучение некоторых параметров движения сердца позволило выявить следующие закономерности. Оказалось, что при мерцательной аритмии средняя скорость движения миокарда 4,3 см/с, а крайние колебания скорости составляют 2,9–6,9 см/с. При атеросклерозе средняя скорость – 3,85 см/с, а колебания скорости – 2,4–5,9 см/с. Таким образом, доплеркинетограмма при аритмии показывает, что это заболевание вызывает как изменение характера и последовательности движений сердца, выражающихся в деформации кривой движения, так и изменение значений скорости и ускорения движения миокарда в систоле и в диастоле. Хорошо заметны снижение средних величин изучаемых показателей и их значительные колебания от систолы к диастоле. Поэтому доплеркинетограммы позволяют проводить раннюю диагностику предынфарктного состояния.

Опыт, накопленный при использовании доплеровских методов в медицине, делает весьма перспективным их применение для диагностики ряда заболеваний сельскохозяйственных животных.

3.3. Ультразвуковой доплеровский эхометод в гинекологии и акушерстве Широкое применение нашел метод Доплера в гинекологии и акушерстве. Он позволяет прослушивать сердце плода, устанавливать многоплодие (доплеровские частоты при отражении ультразвука от нескольких сердец), измерять скорость течения крови в маточных артериях, движения жидкости в пуповине, делать заключение о наличии эмболии (т. е. переносе потоком крови частиц эмбол, вызывающих закупорку сосудов), контролировать работу мочевого пузыря у плода и многое другое.

Существующая ультразвуковая аппаратура позволяет определять сердечную деятельность плода начиная с 9–10 недель беременности, выясняя таким образом наличие возможных патологий.

Обычная аускультация дает мало информации о деятельности сердца плода из-за сильного внутриутробного сжатия; ЭКГ также недостаточно информативна. Доплеровские сигналы, обладая значительно большей информативностью, не всегда поддаются простой интерпретации. Ухо очень хорошо выделяет из спектра нужные частоты, и поэтому в клинической практике часто применяют прослушивание доплеровских сигналов от плода на наушники (подобие аускультации). Метод позволяет четко очерчивать положение плаценты, вести контроль динамики развития плода во время беременности и его состояния в процессе родового акта.

В доплеркинетографии взрослых людей обычно используют ультразвук с интенсивностью 100–200 мВт/см2. При работе с плодом из предосторожности интенсивность уменьшают до 3–30 мВт/см2 несмотря на то, что отношение сигнала к шуму при этом уменьшается, что ведет к усложнению электронной схемы.

Серьезное осложнение беременности при родах представляет обвитие пуповины вокруг шейки плода, что приводит к перинатальной смертности до 6 %. При своевременном распознавании этой патологии она может быть исключена в ходе родов. Доплеровский датчик устанавливают на животе матери в области шейки плода; при наличии этой патологии регистрируют характерный шум сосудов пуповины, совпадающий с частотой сердечной деятельности плода. Исследования проводят за 1–7 дней до родов и дают точный диагноз в 85 % случаев, что значительно понижает перинатальную смертность.

Нарушение деятельности мочевого тракта имеет место примерно у 0,1 % новорожденных. Обнаружение этой патологии еще до родов способствует раннему принятию терапевтических мер. Доплеровский метод позволяет просматривать почки и мочевой тракт уже во второй стадии беременности.

При использовании ультразвука в гинекологии и акушерстве может возникнуть вопрос о безопасности, поскольку половые железы и зародыши наиболее чувствительны к внешним физическим воздействиям. Специальные исследования показали, что действие диагностических доз ультразвука на половые железы и гипофиз не приводит к каким-либо повреждениям этих органов. Напротив, было обнаружено стимулирующее действие ультразвука на яичники. Аналогичные результаты были получены при исследовании деятельности плода.

Заслуживает внимания эксперимент по изучению воздействия диагностических доз ультразвука на мышей и крыс. Их облучали за 5 дней до спаривания ежедневно, а затем на протяжении всей беременности. Никакого отрицательного влияния на потомство первых двух поколений обнаружено не было. Аналогичные результаты получены при облучении беременных мышей импульсным ультразвуком большой интенсивности (до 490 Вт/см2). Каких-либо различий с контрольными животными в отношении смертности у потомства и частоты врожденных аномалий отмечено не было. Аналогичные результаты получены при исследовании облучения ультразвуком куриных эмбрионов.

3.4. Применение современных информационных технологий для обработки результатов ультразвуковой диагностики Как видно из изложенного материала, ультразвуковые исследования широко применяются в области медицинской диагностики. Это связано с несколькими особенностями визуальной диагностики данного типа. Вопервых, как уже упоминалось, на сегодняшний день не получено достоверных данных о вредном воздействии ультразвука диагностической мощности на пациента. Единственное обнаруженное изменение – это нагрев тканей на доли градуса, что не приводит к негативному влиянию на здоровье пациента. Во-вторых, установка для ультразвукового исследования очень компактна и может занимать место вплоть до размера дорожной сумки (рис. 3.6), в то время как, например, ЯМР-томограф требует для размещения несколько комнат. Такая компактность позволяет использовать ультразвуковые аппараты в клиниках, в машинах скорой помощи, а также при выезде врача к пациенту на дом. В-третьих, стоимость такого аппарата и стоимость одного обследования существенно ниже, чем на других приборах медицинской диагностики (компьютерном томографе, ЯМРтомографе). В совокупности, как было показано ранее, это позволяет использовать данный тип диагностики при широком спектре заболеваний.

Кроме того, для отслеживания динамики этих заболеваний обследования можно повторять через короткие промежутки времени.

Рис. 3.6. Общий вид современных компактных ультразвуковых диагностических систем Однако следует отметить, что кроме явных преимуществ ультразвук обладает и недостатками, что затрудняет его повсеместное использование.

Во-первых, полученное изображение ткани не может быть однозначно сопоставлено с каким-то определенным ее свойством, поскольку на силу отраженного сигнала влияют как сжимаемость, так и изменение плотности и других свойств биологического материала, что накладывает определенные ограничения на автоматическую обработку ультразвуковых изображений. Во-вторых, качество получаемых изображений является низким, что связано с физическими особенностями прохождения ультразвуковых волн в биологических тканях. Это приводит к дополнительным требованиям к квалификации врача, так как иногда бывает очень сложно отличить разные типы тканей на таких изображениях. В-третьих, до недавнего времени при помощи ультразвукового обследования было невозможно получить трехмерное изображение интересующего органа, что ограничивало диагностические возможности этого метода.

Следует отметить, что объем исследуемого органа или образования либо скорость изменения их объема являются важными диагностическими показателями. До последнего времени наиболее распространенным методом измерения объема органов при помощи ультразвука было использование двух ортогональных двухмерных ультразвуковых изображений органа, на которых выделялись три диаметра. По ним на основании формулы вычисления объема эллипсоида эвристически оценивался объем органа. Такой метод дает среднюю ошибку измерения порядка 30 %, так как не учитывает формы конкретного объекта, а основан на предположении о сходстве формы одного и того же органа у разных пациентов, что не всегда является верным.

трехмерных ультразвуковых изображений Ультразвуковые изображения, или В-сканы, генерируются при измерении отращенного акустического сигнала от исследуемого органа на импульс определенной частоты путем составления из полос, полученных каждым из приемников, которые расположены в ультразвуковом датчике.

Для уменьшения ошибок при диагностике, а также получения более полной картины обследуемого органа учеными Объединенного института информатики НАН Беларуси разработан ряд методов получения трехмерных ультразвуковых изображений. В настоящее время широко используются три основных типа механических сканеров: вращательные (рис. 3.7, а), поворотные (рис. 3.7, б) и линейные (рис. 3.7, в). Они различаются только типом движения ультразвукового датчика, которое может быть поступательным или вращательным. Первые трехмерные ультразвуковые системы на основе механического движения датчика были не очень приспособлены для каждодневного клинического использования из-за ограниченных диапазонов механического движения и вращения датчика, а также своей громоздкости.

В последнее время также стали доступны ультразвуковые системы, реализующие метод свободной руки (freehand) и применяющие позиционный сенсор, которые не требуют моторизированного приспособления.

При сканировании методом свободной руки на ультразвуковой датчик монтируется позиционный сенсор для измерения его положения и ориентации. Таким образом, оператор может использовать датчик привычным для него образом при обследовании интересующей его области.

Во время движения датчика полученные двухмерные изображения исследуемого органа вместе с их пространственным положением и ориентацией сохраняются в компьютере.

Рис. 3.7. Методы формирования трехмерного ультразвукового изображения В настоящее время применяются различные позиционные сенсоры, включая акустический, электромагнитный и оптический. Разработаны также методы генерации трехмерных изображений без использования позиционного сенсора. Они основаны на анализе получаемых двухмерных изображений. Большинство современных систем применяют либо электромагнитный, либо оптический позиционный сенсор. Пример использования электромагнитного позиционного сенсора, установленного на ультразвуковом датчике, показан на рис. 3.8.

Большинство систем, реализующих сканирование методом свободной руки, интерполируют полученные данные в регулярный трехмерный куб до выполнения всех последующих операций. Также разработаны системы, где используются непосредственно непараллельные ультразвуковые изображения без их реконструкции в регулярный трехмерный куб, что позволяет избежать потери данных на этапе интерполяции.

Рис. 3.8. Схема работы электромагнитного позиционного сенсора основанная на использовании сплайнов Для вычисления объема объекта разработаны три способа определения его границ на ультразвуковых изображениях. В первом случае применяются непараллельные плоскости, представляющие исходные ультразвуковые изображения (рис. 3.9, а). Во втором случае граница объекта задается в плоскостях, проходящих через общую заранее заданную вручную ось (рис. 3.9, б). Изображения в этих плоскостях интерполируются из данных в исходных непараллельных сечениях. При этом во многих случаях на этих изображениях визуально легче определить границы объекта, чем на исходных изображениях (рис. 3.10).

Третий способ основан на обводках объекта в плоскостях с общей осью. В нем генерируются точки пересечения этих обводок с набором плоскостей, перпендикулярных общей оси (рис. 3.9, в).

Для измерения объема по непараллельным сечениям разработан алгоритм, основанный на формуле Ватанабе и использующий интерполяцию кубическими сплайнами. Эти же сплайны применяются для вычисления площади объекта в каждом сечении.

Рис. 3.9. Способы задания сечений объекта: а – исходные сечения в непараллельных плоскостях; б – сечения с общей осью (в радиальных плоскостях); в – сечения в параллельных плоскостях Применяются и другие методы оценки объема объекта по ультразвуковым изображениям. Например, в программном пакете FreeScan реализован подход выбора определяющих сечений, называемый мультипланарной аппроксимацией объема. В соответствии с ним вручную задается максимальный диаметр трехмерного объекта, который впоследствии используется как ось вращения для выбора плоскостей сечений. Затем автоматически формируются четыре, шесть или девять равноудаленных по углу плоскостей, проходящих через эту ось. Граница объекта обводится вручную, и его объем вычисляется на осно- Рис. 3.10. Радиальное вании этих обводок. В дополнение к такому способу задания границы объекта можно построить равноудаленные плоскости, перпендикулярные оси вращения.

В каждой равноудаленной плоскости автоматически интерполируется граница объекта на основе точек пересечения обводок с рассматриваемой плоскостью и вычисляются площади областей. Окончательно объем получается путем сложения произведений площадей сечений на расстояния между плоскостями.

Для тестирования точности алгоритма вычисления объема, предложенного специалистами Объединенного института информатики НАН Беларуси, применялись физические резиновые и силиконовые фантомы, показанные на рис. 3.11. Такие объекты наиболее близки по своим характеристикам к человеческим органам и хорошо видны на ультразвуковом аппарате. Также были использованы изображения долей щитовидной железы, полученные во время обследования пациентов. Все эти данные были получены при сканировании ультразвуковым сканером с установленным на нем позиционным сенсором несколько раз. Фактический объем фантомов был определен при помощи измерительных пробирок с точностью 0,25–2,5 мл в зависимости от размера фантома. Также использовались моделированные трехмерные объекты.

Рис. 3.11. Примеры физических фантомов, используемых для вычисления объема При использовании разработанного алгоритма вычисления объема уровень ошибки в 5 % достигается на 8–10 обведенных сечениях. При этом следует учитывать как ошибки измерения объема в реальных условиях, так и ошибки получения данных при помощи ультразвукового аппарата и позиционного датчика. Такое количество необходимых для оценки объема объекта сечений оказалось приемлемым для использования в медицинской практике как по затрачиваемому времени, так и по точности получаемых результатов. Разработанное программное обеспечение дает возможность максимально эффективно применять ультразвуковую диагностику в медицинской практике. Более точное измерение объема позволяет диагностировать рост злокачественных образований на ранних стадиях, а удобная визуализация дает врачу информацию об особенностях формы органа или образования, привлекая внимание к нехарактерным признакам.

3.4.4. Автоматизированная система диагностики заболеваний лимфатических узлов и щитовидной железы Основным назначением автоматизированной системы диагностики заболеваний лимфатических узлов по ультразвуковым изображениям является интеграция компьютерных и ультразвуковых диагностических технологий для дифференциальной диагностики нозологических форм детского рака (лимфом) и лимфаденопатий на этапе первичной диагностики.

Автоматизированная система включает в себя структурные элементы в соответствии с моделью: программа; АРМ, реализующее функции, задачи и процедуры. Программа позволяет проводить распознавание и обработку статических изображений лимфатических узлов, полученных в одном из четырех режимов при проведении ультразвукового диагностического исследования: полутонового изображения (GRAY – gray scale), цветового допплеровского картирования (CFM – color flow mapping), энергетического допплера (PDI – power doppler imaging), импульсно-волнового допплера (PWD – pulsed waved doppler).

Захват и обработка аналогового сигнала проводятся при помощи интегрированного в персональный компьютер устройства видеозахвата (Aver TV). Последовательно получаемые при обследовании пациентов в четырех режимах ультразвуковые изображения сохраняются в цифровом виде (форматы BMP, JPEG) на компьютере в папке с кодом пациента.

При открытии изображения программа с помощью предварительно обученной нейронной сети автоматически распознает режим работы ультразвукового диагностического аппарата, его настройки (Depth, Gain, Dinamic Range, Color Gain, Acoustic Output), масштабный коэффициент и производит привязку к эталонной шкале соответствующего режима, находящейся на изображении. Распознанные параметры выводятся на панели входных параметров и контролируются врачом-исследователем, что дает возможность адекватно выполнять последовательную оценку получаемых изображений.

В начале работы врач (оператор) при помощи мыши выделяет интересующую его область и запускает режим обработки, нажав соответствующую кнопку на панели управления режимами. После окончания обработки результаты выводятся на соответствующей панели выходных параметров. Автоматически определяются морфометрические, объемные показатели лимфатических узлов, индексы васкуляризации, считываются допплерометрические данные. Рассматриваемое программное обеспечение является достаточно универсальным и легко адаптируемым к ультразвуковому диагностическому оборудованию ведущих фирмпроизводителей и обеспечивает информационную поддержку выполнения следующих функций:

– стандартизированное и оптимизированное накопление визуальной информации;

– реализация процедуры математической обработки изображения.

Результатом обработки является получение функционального признака, патогномоничного со статистически приемлемой вероятностью для определенной нозологической формы лимфом. Эти данные могут быть использованы как дополнительные критерии дифференциальной диагностики доброкачественных лимфаденопатий и злокачественных лимфопролиферативных заболеваний у детей на этапе первичной диагностики.

Для автоматизированного исследования изображений лимфатических узлов разработаны алгоритмы и специализированное программное обеспечение, позволяющее проводить указанную выше обработку ультразвуковых изображений.

При открытии ультразвукового изображения программа автоматически распознает режим работы ультразвукового аппарата, его настройки, масштабный коэффициент (MKoef) и производит привязку к эталонной шкале соответствующего режима (рис. 3.12, 3.13).

Распознанные параметры выводятся на панели входных параметров, контролируются оператором, а в случае необходимости могут быть отредактированы в ручном режиме.

Результаты анализа полутонового ультразвукового изображения, сосудистых паттернов, скоростных характеристик кровотока и индексов при гиперплазиях лимфатических узлов позволяют количественно определить параметры, которые используются в алгоритме определения их поражения различными заболеваниями.

В качестве основы рассмотренного программного обеспечения автоматизированной дифференциальной диагностики признаков нозологических форм детского рака (лимфом) и лимфаденопатий принят метод комплексной оценки эхограмм патологически измененных лимфатических узлов, который базируется на компьютерном анализе эхограммы в режимах серой шкалы, цветного и энергетического допплеровского картирования, оценке скоростных характеристик кровотока и индекса интранодальной резистентности в режиме импульсно-волнового допплера.

Рис. 3.12. Интерфейс пользователя программы в режиме GRAY Рис. 3.13. Интерфейс пользователя программы в режиме CFM 3.4.5. Современные автоматизированные системы для ультразвуковой диагностики В настоящее время на рынке предлагается большое количество компьютерно-управляемых ультразвуковых диагностических систем, которые программно реализуют функции двух- и трехмерного представления исследуемых органов человеческого тела с набором сервисных функций, помогающих врачу-исследователю дать квалифицированное заключение о той или иной патологии. Наиболее существенные достижения в разработке и производстве таких систем имеют фирмы Simens, Philips (Германия), Toshiba (Япония), SonoScape (Китай), «Медицинские системы» (Россия) и многие другие.

В качестве примера приведем краткое описание возможностей системы Artrida (рис. 3.14) фирмы Toshiba, который в сентябре 2007 г. на ежегодном конгрессе Европейского общества кардиологии (ESC) в Вепс (Австрия) анонсировала фирма Toshiba. Представленная система отличается способностью проследить и показать движение миокарда в 3D режиме.

Реализованная в ней технология Wall Motion Tracking (WMT) позволяет пользователю получить количественную информацию о локальном сокращении миокарда независимо от угла сканирования. Возможность определить нарушения движения стенки миокарда позволяет значительно улучшить результаты CRT (Cardiac Resynchronization Therapy – кардиоресинхронизирующая терапия, которая проводится с помощью двухкамерного водителя ритма) и оптимизировать настройки водителя ритма. Кроме этого, значительно ускоряется сам процесс получения и анализа данных исследований. Буквально за несколько минут можно получить такие параметры, как Longitudinal Strain (продольное напряжение), Radial Strain (радиальное напряжение), Circumferential Strain (периферическое напряжение), Rotation (ротация), Shear (разделение), Twist (изгиб) и Torsion В составе системы Artida используются передовые информационные технологии, которые значительно улучшают качество визуализации и диагностическую точность в чем 80 процессорных ядер, объединенных быстрым цифровым системным интерфейсом. Одно из ключевых преимуществ такой технологии – одновременная обработка огромного количества полученных ультразвуковой системы SmartSlice – использование большого разнообразия проспективных и ретроспективных режимов получения объемов, что обеспечивает быстрое и удобное сохранение объемных изображений в качестве «сырых данных».

Объемная навигация проста в управлении, позволяет быстро и точно позиционировать и обрабатывать данные в режиме он-лайн и офф-лайн.

Общий вид представления результатов эхокардиографических исследований с помощью системы Artrida показан на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Представление результатов эхокардиографических исследований Практическое применение системы Artida в эхокардиографии дает возможность более эффективно и с меньшими затратами времени диагностировать локальные изменения сократительной способности сердечной мышцы, нарушения работы клапанов, более точно измерять общую и региональную функцию левого желудочка и существенно повысить точность диагностики, что позволяет подобрать адекватное лечение, в том числе и хирургическое, на ранних этапах обследования.

Информация о других разработках ведущих мировых фирм в области ультразвуковой диагностики приведена в Приложении.

3.5. Ультразвуковая диагностика на основе изучения эритрограмм и лейкограмм Некоторые клетки, не имеющие прочной клеточной стенки, разрушаются под действием ультразвука при интенсивностях порядка десятых долей Вт/см2. К числу таких клеток относятся форменные элементы крови, сперматозоиды, отделенные друг от друга клетки некоторых тканей.

Интенсивности ультразвука, при которых начинается разрушение (пороговые интенсивности), и скорости разрушения этих клеток зависят как от условий опыта (концентрации клеток в суспензии, температуры среды, частоты ультразвука), так и от прочности клеточных мембран, а следовательно, от типа клеток и состояния организма-донора этих клеток.

Исследования показали, что разрушение клеток в суспензии и под действием ультразвука происходит при кавитации и обусловлено механическими усилиями, возникающими в жидких средах. Средняя скорость разрушения клеток определенного типа в ультразвуковом поле:

где С – концентрация клеток в суспензии; К – коэффициент, показывающий, какая часть акустической энергии затрачивается на разрушение клеток; L – расстояние от излучателя до той точки в объеме, в которой интенсивность ультразвука уменьшается до порога кавитации за счет акустических потерь (поглощения, рассеивания); q – интенсивность действующего ультразвука; qn – пороговая интенсивность ультразвука; А – коэффициент, характеризующий потери акустической энергии.

Температуру суспензии можно не учитывать, если при облучении она не превышает 36°. При более низкой температуре скорость разрушения практически не зависит от температуры; при более высоких температурах некоторые клетки (например, эритроциты) быстро разрушаются и в отсутствие ультразвука.

Наиболее существенные различия в параметрах, характеризующих процесс разрушения клеток крови здоровых и больных людей и животных, были обнаружены при интенсивностях ультразвука, близких к пороговым.

Эти различия уменьшаются с возрастанием интенсивности и становятся ничтожно малыми при q = (0,8–1,0) Вт/см2. Исследования ультразвуковой резистентности клеток крови и сперматозоидов рационально проводить при интенсивностях (0,4–0,6) Вт/см2. При этом длительность опыта не превышает 5–10 мин., а информативность результатов достаточно высока.

Свойство эритроцитов и других клеток крови противостоять разрушительным воздействиям – осмотическим, химическим, тепловым, механическим – давно привлекает внимание клиницистов, так как резистентность клеток меняется при некоторых патологических процессах, что может быть использовано в диагностических целях. Так, механическая резистентность эритроцитов понижена при гипер- и гипохромных анемиях и повышена при врожденном сфероците.

Однако стандартный метод определения механической резистентности, основанный на травмировании эритроцитов в аппарате для встряхивания, дает лишь общее и неполное представление о прочности эритроцитарных мембран, а лейкоциты, сперматозоиды и другие клетки этим методом вообще не могут быть исследованы. Метод исследования ультразвукового гемолиза, предложенный В. Б. Акопяном, позволяет получить значительно большую информацию о механической резистентности клеточных мембран и может найти широкое применение в диагностике ряда заболеваний в медицине и ветеринарии.

Установка для определения резистентности клеток в суспензии состоит из двухлучевого колориметра, регистрирующего устройства, и генератора ультразвуковых колебаний (рис. 3.16). При облучении ультразвуком суспензии в одной из кювет колориметра клетки начинают разрушаться, светорассеивание изменяется, отражая процесс уменьшения числа целых клеток в единицу времени. Получающиеся интегральные кривые гемолиза предстают S-образной кривой, наклон которой в средней ее части соответствует средней скорости разрушения клеток. Дифференцируя эти кривые, можно получить кривые распределения клеток по механической прочности клеточных мембран. В идеальном случае для совокупности совершенно одинаковых клеток распределение было бы нормальным, так как процесс разрушения в ультразвуковом поле имеет вероятностный характер.

Рис. 3.16. Блок-схема установки для исследования кинетики ультразвукового гемолиза: 1 – генератор ультразвуковых колебаний; 2 – излучатель ультразвука;

3 – фотоэлектрический колориметр; 4 – кювета с суспензией исследуемых клеток; 5 – кювета сравнения; 6 – регистрирующий потенциометр В реальных условиях клетки одного типа значительно отличаются друг от друга. Так, одновременно в русле кровотока сосуществуют молодые, зрелые и старые эритроциты, а также промежуточные Рис. 3.17. Кривые ультразвукового ге- заболеваниях. Например, при молиза для эритроцитов: DN – число циррозе печени эритроциты часклеток, разрушенных в единицу времетично повреждаются токсичени; K – число оставшихся целых клеток эритрограмме в этом случае наблюдается снижение стойкости всей массы клеток. Эритрограммы животных с различными формами лейкозов характеризуются заметным сдвигом максимума кривой в правую сторону. Это можно объяснить тем, что при лейкозах кровь пополняется незрелыми, молодыми формами клеток, обладающих повышенной прочностью клеточных мембран.

При заболеваниях воспалительного характера, таких как пневмония, мастит, эндотермит, эритрограммы отличаются сдвигом кривых в левую сторону, что, возможно, обусловлено увеличением содержания в крови старых клеток.

Метод автоматической регистрации кинетики ультразвукового гемолиза позволяет определять механическую резистентность клеток и оценить их распределение по прочности мембраны. Мерой прочности является ультразвуковая резистентность – величина, обратная средней скорости разрушения клеток, показывающая, какая часть из оставшихся клеток разрушается в единицу времени при стандартных условиях опыта.

Ранее систематические исследования прочности эритроцитов не проводились, и лишь в последнее время была определена ультразвуковая резистентность мембран эритроцитов лошади, быка, коровы, пони, овцы, барана, козы, свиньи, собаки, лисы, песца, кролика, курицы, морской свинки, белой мыши, карпа, а также человека. Для исследований подбирались клинически здоровые, нормально развитые особи одного и того же возраста и пола.

Ультразвуковая резистентность (R) эритроцитов оказалась различной у разных видов животных (рис. 3.18) и зависящей от массы их тела (М) в соответствии с эмпирической формулой R = 24M0,66.

Показатель степени отражает характер изменения ультразвуковой резистентности с изменением массы животного. Этот показатель меньше единицы, откуда следует, что в ряду близких видов или в процессе роста ультразвуковая резистентность эритроцитов увеличивается медленнее, чем масса животных.

Сравнивая полученную зависимость (см. рис. 3.18) с известной кривой «от мыши до слона» (рис. 3.19), иллюстрирующей связь интенсивности обмена веществ с массой тела, можно предположить, что резистентность также связана с интенсивностью обменных процессов в организме животного.

Подтверждение этому было получено при сравнении скорости ультразвукового гемолиза животных одного вида, но находящихся в разных условиях. Так, эритроциты стриженой овцы менее устойчивы к ультразвуковому воздействию, чем эритроциты овцы, покрытой шерстью. У коз, обитающих в горах, стойкость эритроцитов выше, чем у коз, живущих в равнинной местности. Заметно отличаются по прочности эритроцитов особи мужского и женского полов. Сравнение прочности эритроцитов овцы и барана, быка и коровы, мужчины и женщины показало, что у особей женского пола ультразвуковая резистентность эритроцитов в 1,2 раза ниже, чем у особей мужского пола. Биологический механизм этого явления еще не получил объяснения.

Рис. 3.18. Зависимость ультразвуковой резистентности теплокровных животных от их массы: 1 – белая мышь; 2 – белая крыса;

3 – морская свинка; 4 – курица; 5 – кролик; 6 – песец; 7 – лиса;

8 – собака; 9 – коза; 10 – овца; 11 – свинья; 12 – человек; 13 – пони;

Интересно отметить, что прочность эритроцитов барана после кастрации постепенно уменьшается и через 8 дней лишь незначительно отличается от прочности эритроцитов овец.

В связи с тем, что исследования состояния организмов в условиях загрязнения окружающей среды промышленными отходами приобретают в настоящее время важное значение, была также изучена возможность оценки состояния рыб при ртутном отРис. 3.19. Зависимость теплопродукции равлении по скорости разруQ, кДж/сут.) от массы животного шения их эритроцитов в ультm, кг): 1 – мышь; 2 – кролик; 3 – собака;

развуковом поле. Предваричеловек; 5 – корова; 6 – слон; 7 – кит тельно было установлено, что некоторые отличия в строении эритроцитов рыб не являются препятствием для использования метода ультразвукового гемолиза.

Исследования показали, что скорость гемолиза эритроцитов рыбы, обитающей в среде, содержащей препараты ртути, со временем увеличивается. Обнаружено, что скорость гемолиза прямо пропорциональна концентрации ртути в печени рыбы.

Приведенные результаты свидетельствуют о высокой информативности метода ультразвукового гемолиза и о возможности использования его в диагностических и прогнозных целях. Необходимо отметить, что подобным методом могут быть исследованы не только эритроциты, но и лейкоциты, тромбоциты и другие форменные элементы крови, а также сперматозоиды.

Ультразвуковая терапия – это лечение и профилактика заболеваний человека с помощью ультразвуковых колебаний. Терапевтическое действие ультразвука на организм человека, как уже отмечалось, обусловлено совместным действием ряда факторов: механических колебаний ткани, эффектов физико-химического характера, а также тепла, выделяющегося при поглощении в ткани ультразвуковой энергии.

Ультразвук является своеобразным катализатором, ускоряющим установление равновесного с физиологической точки зрения состояния организма, т. е. здорового состояния. Так, озвучивание здоровых тканей при терапевтических дозах ультразвука не приводит к столь заметному изменению в обмене веществ, которое наблюдается при воздействии на воспаленные ткани. Таким образом, ультразвук оказывает влияние в основном на больные, а не на здоровые ткани. Рис. 3.20. Ультразвуковой излучатель для Для ультразвуковой терапевтических целей: 1 – кварцевая платерапии обычно пользуются стина; 2 – металлическая резонансная наультразвуковыми излучате- кладка; 3 – задний электрод; 4 – корпус;

лями пьезоэлектрического типа (рис. 3.20) мощностью до 20 Вт; в качестве пъезоэлемента в них применяются кварцевые или пьезокерамические пластины площадью 1–10 см2, работающие на резонансе по толщине. Введение ультразвука в организм человека производится либо путем непосредственного контакта излучателя с поверхностью кожи больного, либо через контактную среду – воду, при этом излучатель и объект облучения погружаются в ванну с водой. В первом способе для обеспечения надежного акустического контакта между излучателем и объектом применяется контактное вещество (например, вазелиновое масло).

При ультразвуковой терапии очень важно правильно выбрать параметры облучения: частоту, интенсивность ультразвука, длительность воздействия, скважность, если воздействие производится в импульсном режиме, и способ проведения процедуры (вид контактной среды, положение излучателя относительно больного и т. д.). Обычно в физиотерапевтической практике пользуются частотой 0,8–2,7 МГц. При более низких частотах существенным становится расхождение ультразвукового пучка, так как нарушается требуемое для лучевого распространения соотношение длины волны и размеров излучателя. При более высоких частотах вследствие возрастающего поглощения ультразвуковых колебаний уменьшается толщина слоя, в котором ультразвук оказывает эффективное действие. Интенсивность ультразвуковых колебаний обычно меняется в пределах 0,1– 1,0 Вт/см2, длительность процедуры составляет 3–10 мин. При такой дозировке в тканях не возникает опасных необратимых изменений. Курс лечения состоит из 10–15 процедур. Применяется как непрерывный, так и импульсный режим облучения; последний позволяет использовать несколько более высокие интенсивности ультразвука без опасности перегрева тканей.

Скважность импульсов обычно составляет 2–10.

При ряде заболеваний ультразвуковая терапия обеспечивает полное излечение или значительно улучшает состояние больного. Наиболее благоприятные результаты этот метод дает при радикулитах, невритах, растяжениях, воспалительных процессах, язвенной болезни желудка, заболеваниях суставов (ревматизм, артрит). Ультразвук нашел применение для лечения некоторых глазных болезней, например частичной атрофии зрительного нерва и пигментной дегенерации сетчатки.

К ультразвуковой терапии можно отнести и лечение ряда заболеваний человека методом ингаляции с использованием аэрозолей, создаваемых путем ультразвукового распыления лекарственных средств. Такие аэрозоли обладают весьма ценными для лечения характеристиками:

плотность их приблизительно на порядок больше, чем плотность аэрозолей, полученных с помощью пневматических ингаляторов, соответственно возрастает концентрация лекарственных веществ и сокращается время ингаляции. Средний размер частиц аэрозоля весьма мал, он зависит от частоты ультразвука и поэтому его можно контролировать (например, в пределах от 0,1 до 10 мкм); несложно также осуществлять точную дозировку количества аэрозоля. Потеря лекарств в ультразвуковых ингаляторах незначительна, биологическая активность их под действием ультразвука не изменяется.

Работа ультразвуковых ингаляторов обычно основана на принципе распыления в фонтане с использованием пьезокерамических фокусирующих излучателей. Производительность индивидуальных ультразвуковых ингаляторов составляет до 1,5 см3 лекарственных веществ в минуту, а коллективных – до 10 см3 в минуту.

3.7. Применение ультразвука в хирургии Ультразвуковая хирургия основана на применении ультразвуковых колебаний для разрушения биологических тканей. В хирургии применяются два ультразвуковых метода: первый основан на разрушении тканей организма собственно ультразвуковыми колебаниями, второй связан с наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент.

В первом случае используется как непосредственный контакт ультразвукового излучателя с тканью, так и воздействие на ткани фокусированным ультразвуком. Применение фокусированного ультразвука особенно целесообразно для создания локальных разрушений в глубинных тканях организма, например в структурах головного мозга. Рабочим элементом фокусирующего излучателя в этом случае служит вогнутая пьезокерамическая пластинка 2 (рис. 3.21), резонансная частота которой обычно выбирается в диапазоне 0,5–4 МГц. Для создания гистологически различимых разрушений в мозге необходимо, чтобы интенсивность ультразвука в фокальной области и время ультразвукового воздействия были в определенной зависимости (рис. 3.22). Аппаратура, подобная изображенной на рис. 3.21, применялась для некоторых нейрохирургических операций на головном мозге человека. Были достигнуты положительные результаты при лечении болезни Паркинсона, а также заболеваний, связанных с возникновением непроизвольных беспорядочных движений, фантомных болей и других ощущений беспокойства.

Разрушение тканей под действием фокусированного ультразвука связано с двумя факторами: теплом, которое выделяется при поглощении ультразвука тканями, и явлением кавитации. В зависимости от выбранной интенсивности ультразвуковых колебаний тот или иной фактор оказывает преобладающее действие. При сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до нескольких сотен Вт/см2) и продолжительном воздействии (до единиц и десятков с) основную роль играет тепловой фактор.

Рис. 3.21. Блок-схема фокусирующей ультразвуковой аппаратуры для создания локальных разрушений в глубинных структурах головного мозга:

1 – фокусирующий излучатель; 2 – вогнутая пьезокерамическая пластинка;

3 – корпус излучателя; 4 – конус; 5 – съемный указатель фокуса;

6 – фокальная область; 7 – мешок из тонкой звукопрозрачной пленки;

8 – облучаемый объект; 9 – дегазированная вода; 10 – координатное устройство, на котором укрепляется излучатель; 11 – ультразвуковой генератор;

Рис. 3.22. Интенсивности ультразвука в фокальной области и длительности ультразвукового воздействия, необходимые для создания разрушений в мозге при При очень больших интенсивностях (несколько тысяч Вт/см2) и при малых длительностях облучения (единицы – десятки мс) решающее значение приобретают кавитационные эффекты. Существуют и некоторые промежуточные ультразвуковые дозы, при которых оба фактора проявляются совместно.

Разрушение тканей при непосредственном контакте их с ультразвуковым инструментом определяется в основном теми же факторами. Этот метод используется, например для воздействия ультразвука на опухоли, в том числе и злокачественные.

Второй метод ультразвуковой хирургии связан с наложением ультразвуковых колебаний на хирургическкий инструмент и применяется при резке мягких тканей и распиливании костей. Для этой цели применяются ультразвуковые инструменты с резонансной частотой 20–50 кГц с составными пьезокерамическими преобразователями стержневого типа и ультразвуковыми концентраторами, обычно двухступенчатыми, так что колебательная система имеет трехполуволновую длину. В зависимости от цели предстоящей операции конец второй (съемной) ступени затачивается в виде скальпеля для резки мягких тканей или пилки для распиливания костей; применяется также заточка рабочего конца инструмента в виде долота, распатора, иглы и т. п. Амплитуда колебательного смещения режущего инструмента обычно составляет несколько десятков микрометров. В итоге снижаются усилия резания, уменьшается травматичность операции, достигается большая мягкость и маневренность работы с инструментом, обеспечивается гемостатический эффект (предотвращение кровотечений), уменьшаются болевые ощущения, снижается трудоемкость операции (например, распиливание костей занимает не более нескольких минут).

Ультразвук применяется также при хирургических операциях, связанных с соединением сломанных или намеренно рассеченных в ходе операции костей. При этих операциях пространство между сломанными костями заполняется костной стружкой, смешанной с жидкими пластмассами, например циакрином. Ультразвуковые колебания способствуют более глубокому проникновению циакрина в поры костной ткани и вызывают ускоренную его полимеризацию, вследствие чего образуется надежное соединение отломков на период естественных процессов регенерации костей.

Использование этого хирургического метода позволяет, в частности, избежать применения металлических конструкций, которые требуется удалять из организма в повторной операции.

Ультразвуковые методы резки и соединения тканей успешно применяются в клинической и экспериментальной хирургии и травматологии (резка и соединение костей конечностей, операции на грудной клетке и внутренних органах, лечение переломов, соединение костей позвоночника и т. п.), в оториноларингологии (операции на трахее, в полости носа, гортани и т. п.), в офтальмологии (операции на орбите и в различных участках глаза), в нейрохирургии (операции на костях черепа и на головном мозге).

Контактное воздействие ультразвуковыми инструментами со специальными наконечниками применяют также в оториноларингологии для удаления новообразований и в офтальмологии при операциях по поводу отслойки сетчатки и для механического дробления содержимого хрусталика на мелкодисперсные частицы. Специальные исследования послеоперационного состояния больных подтвердили безвредность ультразвуковых хирургических методов.

3.8. Ультразвуковая технология разрушения тромбов при заболеваниях сердечно-сосудистой системы Одной из основных причин заболеваемости и смертности в мире является тромбоэмболия, смертность от которой в 5 раз выше, чем от рака.

В последние годы в лабораториях США, Франции, Японии и Израиля была проведена серия исследований по изучению эффективности комбинированного использования ультразвука с различными тромболитическими агентами. Несколько лет назад под руководством члена-корреспондента НАН Беларуси, доктора медицинских наук, профессора А. Г. Мрочека была предложена, а затем апробирована гипотеза об ускорении спонтанного тромболизиса под влиянием ультразвука, а также способность ультразвука потенцировать эффект тромболитических агентов. В результате проведения работ в Беларуси впервые совместно с УП «Технопарк «Метолит»» и БНТУ разработана установка ультразвукового тромболизиса и апробирована соответствующая методика, которые успешно прошли регистрацию в Министерстве здравоохранения РБ. Проведенные экспериментальные и клинические испытания установки акустоиндуцированого тромболизиса (РНПЦ «Кардиология», Республиканская больница Управления делами Президента РБ, Минская областная клиническая больница) показали перспективность ее применения для разрушения тромбов и тромбоэмболов. В апреле 2004 г. получено государственное регистрационное удостоверение № 7.4756 на применение указанной разработки в клинической практике.

Конструктивно разработанная установка состоит из ультразвукового генератора и преобразователя, соединенного с гибким волноводом (рис. 3.23).

Так как волновод служит для передачи ультразвуковой энергии к местам локализации атеросклеротических поражений с целью уменьшения риска повреждения сосудистой стенки в процессе введения волновода по артериальному руслу, он должен быть достаточно гибким. Для устранения воздействия ультразвуковой энергии на сосудистую стенку волновод помещается в ангиографический катетер таким образом, что из катетера выступает и контактирует с тканями сосуда только рабочая головка. С другой стороны, потери мощности ультразвука, возникающие при передаче энергии от проксимального конца до рабочей части, должны быть минимальными. Таким образом, современные волноводные системы являются концентраторами ультразвуковой энергии и выглядят либо в виде конуса, последовательно суживающегося от проксимального конца к дистальному, либо в виде системы ступеней с последовательно уменьшающимся диаметром в направлении к дистальному окончанию волновода. Длина используемых волноводов в зависимости от назначения составляет 50– 130 см (рис. 3.24). Диаметр ступеней волноводов от 2,0 до 0,5 мм.

Рис. 3.23. Структурная схема установки для проведения Рис. 3.24. Ступенчатый ультразвуковой волновод Проксимальная часть волновода соединена с ультразвуковым преобразователем акустической системы, работающим на частоте 20–40 кГц (для сравнения: частота ультразвука в системах, используемых для диагностики, составляет 20–30 МГц). Мощность ультразвуковой энергии, передаваемой от акустической системы к соединенной с ней проксимальной части волновода, варьирует от 16 до 25 Вт. В дистальном, наиболее гибком сегменте волновод на торце содержит рабочую головку несколько большего, чем последняя ступень, диаметра (от 1,4 до 3 мм), предназначенную для более эффективного контакта с обрабатываемой поверхностью.

Одним из важных требований, предъявляемых для современных волноводов, является возможность их функционирования совместно с направляющим коронарным проводником. Для достижения указанной цели в головке волновода формируется отверстие для проводника (рис. 3.25, 3.26).

Рис. 3.26. Общий вид волновода с направляющим коронарным проводником Механизм разрушения тромбов и атеросклеротических бляшек под действием энергии низкочастотного высокоинтенсивного ультразвука основывается на четырех составляющих: 1) акустическая кавитация; 2) микропоточные эффекты; 3) механические эффекты; 4) термические эффекты.

Главными при удалении патологической ткани являются механические эффекты и акустическая кавитация, хотя и другие механизмы также могут играть определенную роль.

При выполнении операции в ходе озвучивания возникает быстрое возвратно-поступательное движение головки с частотой 20 000 циклов в секунду. Из-за быстрого перемещения торцевой части волновода происходит частый прямой удар рабочей головкой на патологическую ткань, т. е. в ткани реализуется механический молоткообразный эффект. Помимо этого, одновременно с механическим воздействием в процессе озвучивания в тканях, клетках и жидкостях формируются радиально пульсирующие микропузыри, наряду с чем за счет сильного поглощения ультразвуковой энергии в прилегающей к источнику колебаний зоне образуется направленное движение жидкости, насыщенной массой пульсирующих кавитационных пузырьков. Скорость поступательного движения таких пузырьков может достигать 2 м/с. Такой движущийся и одновременно пульсирующий пузырек приводит к повышению давления (до 3 атм.) и к формированию микропотоков на границе раздела фаз, что ускоряет процесс разрушения патологических тканей.

Селективность вызванного ультразвуком повреждения зависит от различий в эластичности патологической ткани (тромбов, атеросклеротических бляшек) и смежной среды. Основным детерминантом эластичности ткани является коллаген. Тромбы и атеросклеротические бляшки имеют ненормальную композицию, содержат нетипичные для сосудистой стенки типы коллагена и отличаются по структуре от интактной сосудистой стенки. Ввиду этого эластические свойства указанных патологических образований резко отличаются от свойств сосудистой стенки. Таким образом, при воздействии ультразвуковой энергии наиболее выраженные изменения происходят не в интактной сосудистой стенке, а в патологических образованиях (тромбах и бляшках).

При пульсации кавитационных пузырей часть энергии рассеивается в виде тепла, что может вызывать термическое повреждение сосудистой стенки. Однако термических эффектов можно избежать или минимизировать их при использовании импульсной частоты подачи ультразвуковых колебаний и налаживания постоянной инфузии солевого раствора для охлаждения зонда. При разогреве волновода до 75 C термическая энергия может облегчить терапевтическую абляцию, однако это также может индуцировать серьезные термические повреждения ткани. Термические эффекты достигают минимального значения при температуре ниже 40 C, а также в тех случаях, когда волновод охлаждается методом промывания.

Итак, суммируя результаты приведенных исследований, следует отметить, что использование энергии низкочастотного ультразвука высокой интенсивности является перспективным для реканализации пораженных атеросклерозом артерий. Основными преимуществами рассматриваемой разработки перед другими интервенционными методами являются:

1) способность эффективно разрушать различные по морфологии окклюзии (обусловленные кальцинированными атеросклеротическими бляшками, свежими тромбами, а также хронические фиброзные окклюзии) и стенозы высокой степени; 2) способность вызывать вазодилатацию в области озвучивания, а также повышать податливость сосуда.

3.9. Использование ультразвука при изготовлении биологических протезов для сердечно-сосудистой хирургии* Проблема создания биологических протезов – одна из важнейших в современной медицине. От ее успешной реализации зависит прогресс трансплантологии, сердечно-сосудистой и реконструктивной хирургии, а значит, возможность существенного улучшения качества жизни больных.

Благодаря своей механической прочности, гемостатическим свойствам и участию в клеточной репродукции в сочетании с хорошей биосовместимостью и биодеградацией, коллаген является наиболее оптимальным белком для создания биоматериалов и биопротезов, применяемых в реконструктивной хирургии. Однако при имплантации нативной ткани наступает ее прогрессивное переваривание коллагеназой и протеазами, что приводит к потере прочности и полному рассасыванию ткани. Поэтому для предотвращения лизиса коллагена ферментами необходима его консервация.

Сегодня наиболее широко используемая техника сшивки коллагеновых материалов – консервирование глютаральдегидом (ГА) – пока считается оптимальным стандартом. Этот процесс образует в белках неестественные связи и свободные альдегидные группы в виде полимеров, которые очень трудно удалить из биоматериала. Присутствие глютаральдегида внутри коллагена приводит к потере биологических свойств белка в основном из-за его цитотоксичности. К тому же глютаральдегид усиливает процесс кальцификации имплантированной ткани. Эти отрицательные качества процесса фиксации глютаральдегидом существенно ограничивают срок службы биологических протезов клапанов сердца из-за минерализации створок. Чтобы нивелировать указанные явления, были предложены различные направления: удаление остатков глютаральдегида из биологической ткани (антикальциевая обработка); разработка новых методов конМатериал данного раздела предоставлен по просьбе авторов к.м.н. Ю. М. Чесновым сервации, которые придают биоматериалу устойчивость к кальцинозу;

поиск физико-химических способов обработки тканей, способных вызывать сшивку коллагена путем модификации естественных межмолекулярных связей (фотоокисление). Многочисленные исследования были посвящены поиску нового процесса фиксации коллагена, который был бы аналогичен по механическим свойствам глютаральдегиду, но в то же время максимально сохранял биосовместимость биологических тканей. Значительное количество исследований было посвящено исследованию химических составов из группы эпоксидных соединений. Ткани, обработанные полифункциональными эфирами этиленгликоля, были не только более привлекательными по своим морфологическим характеристикам, но значительно более пластичными, мягкими и гидрофильными, а подвергались кальцинозу в значительно меньшей степени, чем фиксированные глютаральдегидом.

В РНПЦ «Кардиология» разработан оригинальный метод обработки биологических материалов, основанный на использовании в качестве основного реагента диглицидилового эфира этиленгликоля (ДЭЭ) – химического соединения из группы эпоксидов, с добавлением ряда этапов, направленных на предотвращение кальцификации.

Задача, на решение которой направлено исследование, заключается в улучшении функциональных показателей биопротезов путем очищения ткани до создания девитализированной коллагеновой матрицы, повышения эффективности и степени фиксации коллагена, подавления процессов кальцификации в биологической ткани, повышения ее тромборезистентности, упрощения процессов обработки, хранения и имплантации протезов.

Указанный технический результат достигается этапной обработкой биологических тканей диэтиловым эфиром, ультразвуком с частотой 37 кГц в 70%-ном растворе этанола, фиксацией ткани в смеси 5%-ных растворов диглицидилового эфира этиленгликоля и диметилформамида, гепаринизацией и хранением протезов в 30%-ном растворе диметилсульфоксида (ДМСО) с гепарином.

С помощью гистологических исследований выявлено, что предварительная обработка ультразвуком в 70%-ном этаноле не оказывает разрушающего действия на волокна коллагена и эластина. Отмечена очаговая или полная десквамация эндотелия (в зависимости от длительности воздействия ультразвуком) по сравнению с нативными необработанными образцами. Этот эффект можно связать с влиянием ультразвука, под воздействием которого происходит удаление поврежденных, разрушенных клеток, а также очень чувствительных к любым воздействиям эндотелиоцитов, при этом другие жизнеспособные клетки не повреждаются.

Предварительная обработка ультразвуком и этанолом незначительно повышает резистентность ткани к кальцификации, но результаты оказались статистически недостоверны по сравнению с препаратами без такой обработки. Вероятно, антикальциевый эффект данной обработки связан с более полным удалением мукополисахаридов, липидов, содержащихся в адвентиции, детрита и других элементов, способных служить ядрами кальцификации. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высокой антикальциевой эффективности как самих полиэпоксидных растворов, так и предлагаемого нами комплексного метода предварительной обработки.

Для усиления антиминерализационного эффекта эпоксидных соединений и повышения их стерилизующей активности, а также для очищения фиксируемой ткани от клеточного и жирового детрита предложен способ предстерилизационной обработки биоматериала этиловым эфиром и ультразвуком с частотой 28–40 кГц в 70%-ном растворе этанола. Стерильность обработанных таким образом тканей наступает немедленно. Гистологическими исследованиями было доказано, что ультразвук эффективно очищает коллагеновую строму от жировой ткани, клеточного детрита, неструктурных белков, способных вызывать антигенный ответ, полностью сохраняя при этом структуру коллагеновых и эластических волокон. При определении кальция в биоматериале получены весьма обнадеживающие и достоверные результаты: препараты, фиксированные классическим методом глютаральдегидом, накапливают кальций в среднем 74,5 ± 4,7 мг/г, тогда как содержание кальция в тканях, сшитых эпоксисоединениями, не превышает 7,4 ± 4,4 мг/г. К тому же замечено, что после дополнительного воздействия на протезы ультразвуком в 70%-ном этаноле количество кальция в материале минимально. Это связано с несколькими факторами:

удалением детрита, некоторым разрыхлением коллагеновой структуры ткани, более равномерной и упорядоченной сшивкой волокон. По данным атомной абсорбционной спектрометрии отмечено снижение содержания кальция в имплантированном материале после обработки ультразвуком и этанолом. Пробы, подвергнутые предварительной обработке и фиксированные эпоксисоединениями, накапливали кальций в среднем на 3–5 мг/г меньше, чем материал без предстерилизационной очистки.

Дополнительная обработка ткани ДМФА, ультразвуком в этаноле, гепарином не оказывает повреждающего действия на ткань и способствует получению стерильного однородного по структуре препарата с отличными пластическими свойствами и сохранением коллагенового и эластического каркаса.

С помощью электронной микроскопии были выявлены особенности и различия структуры биологических материалов, фиксированных различными способами. Характер поверхности материалов заметно отличался в зависимости от типа химического реагента. Так, препараты, фиксированные ДЭЭ с ДМФА и обработанные ультразвуком, имели четкую, ровную, правильно упакованную, ярко выраженную гофрированную структуру.

После многочисленных экспериментов и испытаний были созданы биопротезы перикарда «Биокард» и сосудов «Белафлекс», которые можно использовать в качестве замещающего и пластического материала в хирургическом лечении приобретенных и врожденных пороков сердца, заболеваний сосудов.

Во время операций биологические заплаты «Биокард» демонстрируют отличные прочностные, пластические, антитромбогенные характеристики и высокую биосовместимость. По прочности они не уступают синтетическим материалам, по эластичности близки к нативному перикарду, удобны и легки в обращении, хорошо адаптируются по линиям швов с окружающими тканями. В отличие от синтетических материалов при использовании биопротезов отмечена высокая герметичность линий анастомозов и швов.

В госпитальном периоде и при наблюдении за больными в отдаленном периоде до 6 лет никаких побочных эффектов, связанных непосредственно с использованием биопротезов перикарда «Биокард», отмечено не было. В отдаленном периоде в зоне реконструкции не было выявлено образования аневризм, признаков кальциноза или деструкции заплат.

Таким образом, предварительная обработка биоматериала этиловым эфиром, ультразвуком в 70%-ном этаноле эффективно очищает ткань от жировых включений, клеточного и белкового детрита, потенцирует стерилизующий эффект, не вызывает повреждающего воздействия на коллагеновую строму биопротеза и обладает дополнительным антикальциевым эффектом.

Ткани, фиксированные по разработанной методике, обладают отличными биосовместимыми, тромборезистентными свойствами, устойчивы к воздействию ферментов, инфекции и кальциевой дегенерации, полностью сохраняют свою структуру при имплантации и вызывают значительно меньшую воспалительную реакцию со стороны организма реципиента по сравнению с контрольными образцами, обработанными глютаральдегидом.

3.10. Применение ультразвука в стоматологии Лечение ультразвуком применяется в стоматологической клинике при ряде заболеваний. Однако в последние годы наиболее эффективным считается использование ультразвука для препарирования зубов при кариесе (и его осложнениях) и протезировании.

Сконструированные для этой цели так называемые кавитронные ультразвуковые аппараты состоят из четырех основных частей: 1) ультразвукового генератора; 2) наконечника (рис. 3.27); 3) системы подачи охлаждающей жидкости; 4) ножной педали.

Наконечник имеет форму цилиндра длиной 190 мм, диаметром 12– 13 мм; вес его 160–170 г. Он представляет собой пьезокерамический или магнитострикционный вибратор, в котором электрические колебания превращаются в механические с частотой 27–29 кГц и амплитудой до 35 мкм.

Вибратор помещают в кожух из нержавеющей стали, покрытый пластмассой. Между рабочим концом вибратора и зубом помещают абразив (мелко истолченные порошки окиси алюминия, карбида бора и др., взвешенные в воде), частицы которого, ударяясь о твердые ткани зуба, постепенно снимают слой за слоем (рис. 3.28).

выполнять режущие операции. Изменяя мощность аппарата и абразив, можно достигать отличается большой точностью, препарированная полость воспроизводит форму конца Рабочий конец вибратора снабжен нарезкой, что дает возможность менять режущий инструмент (бор) и получать полости Рис. 3.27. Наконечник ультразвукового стоматологического время предложено большое количество ультаппарата развуковых боров. Некоторые из них представлены на рис. 3.29.

Так как значительная часть мощности теряется в преобразователе, последний может нагреваться. Для его охлаждения аппарат снабжен системой подачи воды.

Непрерывная подача абразивной эмульсии производится вспомогательной насосной системой, подающей тонкую струю из небольшой насадки (рис. 3.30). Рис. 3.28. Работа Для удаления абразива изо рта с ультразвуковым наконечником больного применяют аспиратор или же больному предлагают время от времени прополаскивать рот водой.

Для включения аппарата, а также для подачи абразива служит специальная ножная педаль.

Препарирование зубов ультразвуковым аппаратом отличается рядом серьезных преимуществ по сравнению с обычно применяемыми бормашинами.

Применение вибратора повышает температуру зуба за 20 с без абразива на 11°, а с абразивом – на 7°. При обработке стальными борами температура зуба может достигать 70° и выше.

Отсутствие вибрации и сравнительно небольшое выделение тепла при пользовании ультразвуковыми борами обуславливают совершенно безболезненное препарирование зубов. Стенки и дно препарируемой полости бывают настолько гладкими, что не требуют дополнительной обработки.

Чрезвычайно важным преимуществом ультразвукового метода препарирования зубов является возможность быстро придать полости любую форму, что при наличии разной формы режущих инструментов крайне облегчает работу врача. Так как наконечник не имеет больших подвижных частей, работа с ним не связана с опасностью разреза или разрыва мягких тканей.

Отсутствие боли при препарировании зуба, небольшое рабочее давление наконечника, сокращение времени препарирования – все это создает более благоприятные условия для работы врача, не требует от него такого напряжения, как при работе с бормашиной, увеличивает эффективность работы.

Ультразвуковая технология может использоваться также для расширения и пломбирования корневых каналов и для улучшения качества пломбировочных материалов. Микроскопические исследования показали, что под влиянием ультразвука меняется структура силикат-цемента, увеличиваются его твердость и устойчивость к коррозии. Улучшается также качество фосфат-цемента: твердость и прилипаемость этого материала к стенкам полости могут быть увеличены в результате обработки ультразвуком на 39 % и больше. Озвучивать материал можно и непосредственно после пломбирования. Имеются также сведения о возможности улучшения свойства серебряной амальгамы путем воздействия на нее ультразвуком.

3.11. Вопросы биологической безопасности при использовании ультразвука в медицине Ультразвуковую терапию не рекомендуется проводить на области половых желез, беременной матки и на костных тканях в детском возрасте.

Противопоказаниями для ультразвуковой терапии являются также болезни сердца, поражения спинного мозга и наличие кровоизлияния в мозг.

Противопоказано облучение паренхиматозных органов, новообразований молодых костей, звездчатого нервного узла, тромбофлебитов, тромбозов при наличии варикозного расширения вен, при множественном склерозе, полиомиелите, сирингомиелии, прогрессивном параличе, ориникулярном миелите, спинной сухотке.

При лечении невралгии лица ультразвук надо применять осторожно во избежание действия на глаз и отслойки сетчатки.

Некоторые авторы считают, что ввиду увеличения случаев злокачественных опухолей подвергать их ультразвуковому облучению можно только в совершенно безнадежных случаях, для облегчения болей.

Проводились исследования разрушительного действия ультразвука на ткани животного и растительного происхождения. Установлено, что в случае облучения ультразвуком слишком большой интенсивности (свыше 4 Вт/см2) в тканях могут произойти следующие патологические изменения.

В коже развиваются гиперемия (патологическое скопление крови в сосудах), некротические изменения эпидермиса и самой кожи.

В поперечно-полосатой мышце наступает некроз и распад отдельных волокон. Это сопровождается пролиферативными явлениями со стороны соединительно-тканных элементов стенок кровеносных сосудов. В дальнейшем образуется рубец.

В мышце сердца развиваются гиперемия капилляров, кровоизлияние и диффузное жировое перерождение мышечных волокон; при более сильных дозах – очаговый некроз мышцы.

В легких возникают некротические очаги в альвеолах, окруженных зоной кровоизлияния.

В печени при больших дозах, чем в других органах, развивается интенсивный воспалительный процесс с гиперемией и разрушением капилляров, иногда – очаговый некроз характера инфарктов.

В желудке и кишечнике, которые весьма чувствительны к действию ультразвука, наблюдаются изъязвления, проникающие на большую глубину, которые напоминают язвенную болезнь. Впоследствии на местах язв образуются рубцы. В кишечнике наблюдаются некротические изменения стенок, приводящие в некоторых случаях к прободению.

Действие ультразвука на яички вызывает изолированное поражение эпителиальных клеток с последующим бесплодием.

При действии на кости молодых собак наблюдались спонтанные переломы, подвывихи, остеопороз (разрежение костной ткани) и резко выраженный процесс новообразования костей. В ядрах эпифизов (концевых отделах костей) приостанавливается рост.

При облучении центральной нервной системы ультразвук вызывал у животных паралич конечностей. В спинном мозгу происходят дегенеративные изменения и некроз нервных клеток.

При длительной работе ультразвуком, особенно при водном озвучивании, у врача может образоваться парез кисти предплечья. В качестве защиты предлагается использование двух пар перчаток из бумажной и резиновой ткани: образовавшийся между ними слой воздуха полностью отразит падающие на руки ультразвуковые волны.

Следует подчеркнуть, что при нормальных терапевтических дозах ультразвук не вызывает каких-либо поражений или осложнений.

Серьезные и необратимые поражения ультразвуком (вроде указанных выше) происходят главным образом из-за передозировки.

4. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

В РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

4.1. Общая характеристика применения Ультразвук находит применение для решения многих задач в области охраны окружающей среды (это прежде всего вопросы мониторинга загрязнений природной среды, расхода и перемещения агрессивных жидкостей и химических веществ), а также в решении технологических вопросов, связанных с удалением загрязнителей, очисткой деталей и элементов оборудования. Технологические применения ультразвука в экологии основываются на рассмотренных в предыдущих главах физических эффектах, возникающих в средах при возбуждении в них ультразвуковых колебаний (прежде всего кавитации), и микропотоков в жидких средах, механических знакопеременных напряжений в твердых веществах. Мониторинговые задачи с применением ультразвука основываются на эффектах поглощения и отражения ультразвуковых колебаний, проявлением уже обсужденного эффекта Доплера.

Ультразвуковой метод контроля применяется в опасной химической промышленности для контроля концентрации плава аммиачной селитры и азотной кислоты при производстве минеральных удобрений (Гродненский химический комбинат имени С. О. Притыцкого).

Наиболее часто встречающимся видом азотных удобрений является аммиачная селитра, которая резко повышает урожайность сельскохозяйственных культур. Технология производства аммиачной селитры многоступенчатая и сложная, поэтому высокое качество выпускаемой продукции при минимальных затратах можно обеспечить только при автоматизации технологических процессов и методов контроля. Особенно необходим автоматический контроль там, где наблюдение за производственными процессами затруднительно, а лабораторные анализы качества выпускаемой продукции являются запоздалыми и теряют свою информативную ценность. С другой стороны, применение точного автоматического контроля создает возможность для комплексной автоматизации производственных процессов. Однако для осуществления контроля с минимальными погрешностями необходимо иметь устройства для получения исходной информации (датчики), выходные сигналы которых зависят от контролируемых параметров.

Гранулированная аммиачная селитра представляет собой сложное химическое соединение. Расплав ее непосредственно перед грануляцией имеет температуру до 473 К (обычно 453–463 К). Главное условие для получения высококачественной гранулированной аммиачной селитры – наименьшее количество влаги в ее плаве. Этим определяются сохраняемость, малая слеживаемость и способность аммиачной селитры не поглощать влагу из атмосферы. Следовательно, количество влаги в плаве аммиачной селитры определяет его качество.

Были проведены исследования акустических характеристик плава аммиачной селитры в предкристаллизационной области при температуре от до 463 К. Получено семейство характеристик скорости ультразвука, такие как функция температуры при постоянной концентрации и функция концентрации при постоянной температуре. Из характеристик следует, что для автоматического контроля качества плава аммиачной селитры по скорости ультразвука в производственных условиях необходимо осуществить точную температурную компенсацию или термостабилизацию. Последнему методу отдается предпочтение, так как применение термокомпенсации усложняет измерительную схему и уменьшает точность измерений. Точность температурной стабилизации измерительной камеры для автоматического контроля должна составлять ± 0,1 С, что определяется по семейству характеристик.

При осуществлении ультразвукового метода контроля в производственных условиях мгновенно определяют величину концентрации плава аммиачной селитры как функцию скорости ультразвука с автоматической регистрацией результатов. Это позволяет перейти от автоматического контроля к автоматическому регулированию качества плава аммиачной селитры.

Принцип работы ультразвуковой установки для контроля состава жидких материалов в потоке отражен на рис. 4.1.

Создание постоянной скорости микропотока контролируемой среды достигается за счет переливки жидкого материала в газоотделителе, что обеспечивает постоянный столб давления, а следовательно, и постоянную скорость микропотока через термостат и измерительную камеру. Акустическая измерительная камера, детали термостата, трубопровода, газоотдувки конструктивно выполнены из устойчивых сортов стали типа IXI8Н9Т и фторопласта.

Теплообменником служит змеевик, вставленный в корпус термостата.

Электронная схема термостабилизатора выполнена по методу релейного регулирования на кремниевых транзисторах повышенной стабильности.

В качестве датчика температуры применен полупроводниковый терморезистор, помещенный внутрь тонкой стеклянной оболочки. Блок управления нагревом подключен к выходу электронной схемы термостабилизатора.

Точность автоматического контроля среды составила 0,1 %, что вполне достаточно для целей автоматического регулирования технологическими процессами производства удобрений.

Перспективным является применение ультразвука малых амплитуд в производстве калийных удобрений (ПО «Беларускалий»). В частности, использование реагентов в технологическом процессе флотации калийных удобрений ставит задачу контроля их качество флотации и расход дороматериалов в потоке: 1 – газоотделигостоящих реагентов.

На современном этапе конблок измерения температуры;

троль концентрации реагентов и 4 – блок управления нагревом;

солевых растворов проводится 5 – ультразвуковая измерительная кадискретно методом химического мера; 6 – блок измерения скорости анализа, что не позволяет автома- ультразвука; 7 – регистрирующее тизировать процесс дозировки устройство; 8 – блок питания флотореагентов. Установлено, что скорость распространения ультразвуковых колебаний в растворах солей и растворах полиакриламида линейно зависит от концентрации растворенных веществ. Изменение скорости распространения ультразвуковых колебаний на 1 % изменения концентрации солей в растворе составляет 10 м/с, а для растворов полиакриламида – 35 м/с. Зависимость скорости распространения колебаний в растворах тилозы от концентрации примерно линейно возрастает с ростом концентрации. Изменение скорости ультразвука на 1 % изменения концентрации составляет в среднем 19 м/с. Установленные зависимости позволяют сделать вывод, что ультразвуковой метод контроля с успехом может быть применен для непрерывного контроля концентрации флотореагентов (полиакриламидов и тилозы) и солевых растворов.

Наиболее приемлемыми материалами для измерения скорости ультразвука в жидкостях с резко выраженными химическими свойствами в настоящее время являются титанистые сплавы и нержавеющие стали, из которых изготавливаются волноводные системы. Акустические сопротивления этих материалов в несколько десятков раз превышают жидкостные сопротивления. Поэтому для сведения к минимуму реверберационных явлений и установления в акустической среде режима бегущей волны применяются скошенные волноводы с сохранением параллельности излучателя и приемника. Соотношение угла падения (a) ультразвуковой волны на границе раздела «волновод – жидкая среда» и угла преломления (g) выражается как где С1 – скорость ультразвука в волноводе; С2 – скорость ультразвука в жидкости.

Угол a выбирается таким, чтобы отраженный от второго волновода сигнал не попадал на первый при всех изменениях скорости распространения исследуемой жидкости при данной акустической базе. Это достигается подстановкой в формулу (2.11) максимального С2.

Один из исследованных вариантов датчика с применением волноводов и охлаждением пьезопреобразователей воздухом или водой (в зависимости от диапазона рабочих температур) показан на рис. 4.2. Материалом для изготовления волноводов 3 выбрана сталь IXI8H9T, позволяющая производить измерения скорости ультразвука в химически активных жидкостях при широком диапазоне температур. Герметизация пьезопластин производится фторопластовыми крышками 8 с защитными колпачками 4.

Акустическая развязка системы осуществляется через изоляционные шайбы 10 и 11. Испытания этих датчиков при разных температурных режимах в лабораторных и производственных условиях на плаве аммиачной селитры и жидких сред с более высокой температурой показали их надежную работу. Но даже применение оптимально скошенных волноводов не уничтожает полностью остаточных реверберационных явлений. Наблюдается эффект изменения формы и фазы акустического сигнала как при импульсном, так и непрерывном излучении. Данное обстоятельство в значительной мере увеличивает погрешность измерений скорости ультразвука при повышенных температурах и требует применения ультраакустических методов, которые при изменении скорости ультразвука не меняли бы форму и величину сигнала. Это достигается обеспечением постоянства длины ультразвуковой волны l = const в колебательной системе. Тогда внутренние фазовые соотношения акустических сигналов в среде остаются строго постоянными при различных скоростях ультразвука. Это обстоятельство сохраняется как для импульсных, так и для непрерывных акустических сигналов, хотя с помощью непрерывных колебаний сравнительно легче осуществить циркуляцию гармонического колебания, а также постоянство внутренних фазовых соотношений. Погрешность измерений при этом получается минимальной с отсчетом скорости ультразвука как функции изменения частоты при строго постоянной длине ультразвуковой волны.

Рис. 4.2. Ультразвуковой измерительный датчик: 1 – флянец, 2 – корпус преобразователя, 3 – волноводы, 4 – защитный колпачок, 5 – штуцер, 6– предохранительный колпачок, 7 – уплотнитель, 8 – фторопластовая крышка, 9 – пьезопластина, 10,11 – изоляционные шайбы Применение ультраакустического метода, основанного на автоциркуляции непрерывных колебаний с амплитудной их модуляцией, в комплексе с предложенными датчиками для разных диапазонов температур со скошенными волноводами позволяет измерять скорость ультразвука как функцию частоты в различных жидких средах при повышенных температурах.

4.3. Ультразвуковой контроль скорости потока Для измерения скорости потока и расхода жидких и газообразных сред используются ультразвуковые методы, основанные на создании автоциркуляции непрерывных синусоидальных колебаний, которые получены путем одновременного электроакустического самовозбуждения на разных по величине частотах по потоку и против потока в одноканальной схеме.

Одновременной автоциркуляцией достигается полная идентичность в измерении скорости ультразвука по противоположным направлениям, что позволяет получить более высокую точность в измерениях скорости потока среды по сравнению с другими методами. Систематические погрешности, например температурные, являются одинаковыми для направлений измерения по потоку и против потока и компенсируют друг друга, так как скорость потока определяется по величине разностной частоты сигналов автоциркуляции.

Представленный метод измерения скорости потока среды положен в основу работы ультразвукового расходомера, схема которого показана на рис. 4.3 и который содержит акустический преобразователь с пьезоэлементами П1 и П2, включенный в два замкнутых противоположных контура измерения скорости ультразвука через контролируемый поток среды. Оба контура содержат последовательно соединенные избирательные фильтры, широкополосные усилители с автоматической регулировкой усиления (АРУ) и акустических преобразователей.

Рис. 4.3. Блок-схема одноканального ультразвукового расходомера Для исключения погрешностей, связанных с изменениями физикохимических параметров среды, частоты сигналов каждого из направлений измерения преобразуются, например, путем умножения каскадами преобразования частот к их равной величине при нулевом потоке среды. После этого частоты сравниваются в смесителе, и разностная частота, пропорциональная скорости потока среды, регистрируется частотомером (с возможной последующей обработкой в микропроцессорном устройстве).

Для выделения соответствующих резонансных частот применяются избирательные фильтры 1 и 2.

Объемный расход вещества находится как интеграл от скорости потока по сечению трубопровода:

Применяя трубопровод круглого сечения, у которого S= pD /4, вы- ражение (4.2) можно переписать в виде С учетом того, что Vср~/w 12/ср, находим и окончательно объемный расход равен Предложенный метод ультразвукового контроля скорости потока обладает стабильностью, помехоустойчивостью и высокой точностью, что достигается за счет одновременной автоциркуляции сигналов по потоку и против него и за счет частотного способа измерения с применением непрерывных узкополосных фильтров.

4.4. Ультразвуковые технологии 4.4.1. Ультразвуковой способ предотвращения солеотложения на технологическом оборудовании В практике нефтедобычи установлено, что при эксплуатации скважинных насосов, трубопроводов и другого технического оборудования на отдельных поверхностях, находящихся в контакте с нефтью, происходит отложение солей. Особенно интенсивно процесс отложения происходит на элементах насоса, что выводит их из строя, причиняя тем самым большой материальный ущерб.

Физический механизм этого явления можно объяснить следующим образом. Металлические элементы представляют собой активную подложку для кристаллизации, так как они обладают высокой теплопроводностью. На металлической подложке (лопасти, трубопроводе и других деталях) происходит образование центров кристаллизации, которые являются началом процесса солеотложения.

Причиной интенсификации отложения солей на лопастях насоса является усиление тепломассопереноса. Дело в том, что вращение лопастей, большая скорость относительного движения системы «лопасть – нефть», турбулентное движение нефти в пограничном слое с лопастью создают условия для лучшего тепломассопереноса, а непрерывное обогащение солями порций нефти благоприятствует отложению солей на движущихся элементах (лопастях).

Анализ отложения солей на элементах скважинного насоса, трубопроводах и т. п. подтверждает высказанную точку зрения относительно физического механизма процесса солеотложения. Опыт говорит о том, что больше солей отлагается на лопастях насоса и меньше – на прямых участках трубопровода. Это объясняется тем, что, во-первых, на прямых участках трубопровода меньше скорость относительного движения системы «элемент трубопровода – нефть», во-вторых, на границе «нефть – трубопровод» происходит ламинарное течение нефти, а поэтому массообмен и теплообмен уменьшены.

Проблему предотвращения солеотложения и очистки нефти от солей можно решить следующими подходами.

Первый – локально интенсифицировать процесс кристаллизации и образовавшиеся кристаллы выносить с потоком. Для осуществления этого процесса необходимо в определенной области потока нефти до скважинного насоса создать искусственные условия, которые уменьшили бы работу образования зародыша. При этом необходимо иметь в виду, что возникшие в результате искусственной интенсификации процесса локальной кристаллизации твердые частицы соли необходимо надежно транспортировать через области, где особенно интенсивно происходят процессы тепломассопереноса.

Второй – в областях, где интенсивно происходит процесс солеотложения, нужно затормозить кристаллизацию за счет увеличения работы образования зародыша кристаллизации.

Третий подход представляет собой комбинацию второго и первого:

в области, где нежелательно солеотложение, вначале нужно затормозить кристаллизацию, а затем после ее прохода интенсифицировать процесс кристаллизации.

Четвертый – это подбор материалов, на которых затруднен процесс образования зародышей кристаллизации.

Воздействие ультразвукового поля на раствор вблизи температуры затвердевания внесет существенные изменения в молекулярнокинетические процессы, связанные с формированием структуры зарождающейся твердой фазы. Оно вызывает значительные изменения энергетического состояния системы, поэтому воздействие мощного ультразвукового поля в кавитационном режиме существенно уменьшает вероятность образования зародышей твердой фазы, изменяет коэффициенты вязкости и диффузии. Кавитационный пузырек, или кавитационная область, представляет собой своеобразный трансформатор мощности, в котором сравнительно медленно накапливается энергия, а освобождается в течение очень короткого времени, в результате чего мгновенная мощность во много раз превосходит среднюю вводимую излучателем в кавитационную область. Местные изменения температур и давлений за счет действия ультразвукового поля в режиме кавитации приводят к возрастанию флуктуаций плотности. При этом имеет место процесс возникновения дополнительных плотных комплексов, которые при оптимальных температурных условиях будут выполнять роль зародышей кристаллизации.

В ультразвуковом поле интенсифицируются процессы массопереноса, массообмена. При воздействии ультразвукового поля на гетерофазную систему происходит перераспределение микрозародышей новой фазы, тем самым вероятность самопроизвольного зарождения кристаллических центров уменьшается. Весьма существенно на распределение и возникновение зародышей влияют также эффекты второго порядка, имеющие место в жидкости при воздействии на нее мощного ультразвукового поля.

Воздействуя мощным ультразвуковым полем на расплав, можно уменьшить энергию активации, а следовательно, увеличить коэффициент диффузии и активизировать процесс зародышеобразования.

Как уже отмечалось, реальная нефтяная система представляет собой гетерогенную дисперсную твердогазожидкостную смесь. Кроме жидкой составляющей в такой системе присутствуют различной природы нерастворимые твердые частицы, пузырьки газа разной дисперсности.

Для полноты представлений о механизме влияния ультразвукового поля на реальную нефть в скважине рассмотрим физические процессы и явления в гетерогенных дисперсных системах. Известно, что примеси, газовые пузырьки, твердые частицы оказывают существенное влияние на процесс формирования твердого тела. Обычно в реальном растворе всегда присутствуют примеси различной степени дисперсности. Однако для активизации процесса формирования твердого тела необходимо, чтобы зародыши кристаллизации имели определенные размеры и были равномерно распределены в объеме раствора. Воздействие ультразвукового поля на дисперсную реальную систему вблизи температуры затвердевания создает благоприятные условия для формирования твердого тела.

Установлено, что если размер примеси меньше размера критического зародыша, работа образования устойчивого центра кристаллизации на ней должна подчиняться закону где rк и rп – радиусы критического зародыша и частицы примеси; К – постоянная.

Если rп < rк, то образование зародыша на примеси маловероятно.

Если rп > rк, то складываются неблагоприятные условия для возникновения зародыша кристаллизации. Вследствие воздействия ультразвукового поля на твердогазожидкостную систему с нерастворенными примесями происходит их диспергирование. В зависимости от интенсивности ультразвукового поля и времени обработки размеры дисперсных газовых и твердых частиц будут изменяться. При диспергировании они должны пройти барьер, при котором В начале ультразвуковой обработки число таких частиц должно расти пропорционально интенсивности ультразвукового поля и времени обработки. Затем при каких-то значениях интенсивности и времени эффективность обработки достигнет оптимальных величин и начнется спад.

В этом случае rп < rк. Следовательно, на функциональных зависимостях «эффективность обработки – интенсивность поля» и «эффективность обработки – время действия поля» должен наблюдаться максимум.

В некоторых дисперсных системах в ультразвуковом поле при определенных характеристиках может наблюдаться эффект, диаметрально противоположный эффект диспергированию, – коагуляция. В этом случае можно ожидать уменьшения эффективности обработки ультразвуковым полем с возрастанием интенсивности и времени воздействия. Процесс зародышеобразования можно интенсифицировать за счет подачи дополнительного газа в нефтяную систему и его ультразвукового диспергирования.

При этом можно добиться стабильных размеров равномерно распределенных в определенной области газовых пузырьков, для которых будет выполняться условие (4.7). С помощью этого приема количество зародышей кристаллизации возрастает.

Образовавшееся за счет интенсификации процесса кристаллизации с помощью ультразвукового поля большое количество твердых частиц соли будет транспортироваться за счет потока жидкости и более крупных газовых пузырьков, присутствующих в большом количестве в реальной нефтяной системе. Кроме того, пузырьки-транспортеры можно создать искусственно путем ультразвукового диспергирования газа в реальную нефтяную систему.

Рассмотренная природа процесса солеотложения и воздействие на этот процесс внешних физических факторов дают основание предложить следующие способы предотвращения солеотложения на элементах скважинного насоса, трубопроводах и т. п. и чистки нефти от солей.

Первый способ. В нефтяную твердогазожидкостную систему подается дополнительно газ. Путем воздействия мощного ультразвукового поля газ в нефтяной системе диспергируют таким образом, что размеры газовых пузырьков оказываются одинаковыми и соответствуют размерам зародышей кристаллизации. Это приводит к принудительному зародышеобразованию на газовых пузырьках. За счет радиационного давления, макрои микропотоков, возникающих в ультразвуковом поле, газовые пузырьки равномерно распределяются в области, в которой необходимо интенсифицировать процесс кристаллизации, и таким образом способствуют объемной локальной кристаллизации. Кроме того, в ультразвуковом поле имеет место диспергирование и активация твердых нерастворимых частиц. При определенных режимах ультразвуковой обработки выполняется условие (4.7) и зародыши кристаллизации равномерно распределяются в объеме.

Таким образом, за счет действия ультразвукового поля наблюдается интенсификация процесса объемной локальной кристаллизации: на газовых и твердых частичках образуется большое количество маленьких взвешенных в системе кристалликов.

В твердогазожидкостной системе кроме пузырьков, на которых происходит интенсификация процессов кристаллизации, в большом количестве присутствуют свободные газовые пузырьки более крупных размеров. Эти пузырьки, двигаясь с потоком системы, адсорбируют зародившиеся кристаллики и таким образом выполняют роль транспортных средств. Кроме того, для интенсификации процесса удаления возникших кристалликов путем ультразвукового диспергирования газа создаются дополнительные, оптимальные по размерам газовые пузырьки для транспортировки кристалликов. Пройдя насос, систему трубопроводов и т. д., твердогазожидкостная система сообщается с атмосферой. При этом за счет архимедовых сил системы возможны концентрация кристалликов соли и их коагуляция. Превращаясь в более крупные агрегаты, они оседают на дно. В зависимости от условий задачи их можно удалять с поверхности или дна.

Второй способ. Путем изменения температуры элементов, на которых происходит солеотложение (например, элементов насоса), можно повысить работу образования зародышей кристаллизации.