Ultrahangos kavitáció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2017. február 5-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 11 szerkesztést igényelnek .

Az ultrahangos kavitáció  gáz- vagy gőzbuborékok (üregek) képződése és aktivitása ultrahanggal besugárzott közegben , valamint ezeknek a közeggel és az akusztikus térrel való kölcsönhatásából adódó hatások [1] [2] [3] [4 ]. Az ultrahangos kavitációnak két nagyon különböző típusa van. Az első az inerciális kavitáció, amelynek természete a folyadékban a gáz-gőz üregek kialakulásához kapcsolódik a folyadék tágulása következtében az akusztikus hullám rezgésének negatív félciklusa során. A kompressziós félciklus kezdete után ezek az üregek hirtelen összeomlanak, és helyi fűtési és hidrodinamikai perturbációk lépnek fel mikrosokkhullámok, kumulatív sugarak és folyadék mikroáramlások formájában. A második típus a nem inerciális kavitáció, amelyet hosszú ideig stabil gázbuborékok oszcillációi jellemeznek [1] [2] [3] [4]. Ha az inerciális kavitáció küszöbét túllépjük, akkor mindkét típusú kavitáció egyidejűleg is megjelenhet, különös tekintettel arra, hogy az akusztikus tér általában inhomogén.

Az ultrahangos kavitációnak bizonyos esetekben káros hatásai vannak, ilyenkor meg kell keresni annak megelőzésének módjait. Tehát az akusztikus sugárzók felületén fellépő kavitáció tönkreteszi ezt a felületet. Ugyanakkor az akusztikus kavitációt sikeresen alkalmazzák az ultrahangos technológiában, például a szennyezett részek tisztítására , sorjázásra, diszperzióra , emulgeálásra, aeroszolok képzésére stb. A kavitáció különösen széles körben és hasznosan alkalmazható az ultrahang orvosi alkalmazásaiban, különösen a sebészetben [1] [4] .

Történelem, terminológia

A csak néhány évtizeddel ezelőtt megjelent fizikai és műszaki akusztikai szakirodalomban az ultrahangos kavitáció rendszerint a folyékony közegben folytonossági zavarok kialakulását jelentette húzófeszültség hatására a ritkítási fázisban, instabil gőz-gáz üregek megjelenését, majd az ezt követő folyamatokat. ezen üregek összeomlása a kompressziós fázisban [5] [6] [7] . Az ilyen jelenségek megfelelnek a szakirodalomban előforduló „instabil” [8] , „igaz”, „gőz”, „tranziens”, „valódi” kavitáció fogalmainak. Később az ilyen típusú kavitáció leírására számos szerző az "inerciális" kavitáció kifejezést kezdte használni, mivel a folyadékban tárolt kinetikus energia átadódik a buboréknak, és szabályozza annak mozgását az összeomlás során. 1996-ban, a World Federation of Ultrasound in Medicine and Biology szimpóziumán az orvosi ultrahang biztonságáról, ezt a kifejezést "legalizálták" az ilyen típusú kavitáció leírására [3] .

Az inerciális (instabil) ultrahangos kavitáció fizikai természetét és megnyilvánulásait számos áttekintő cikk és könyv részletesen tárgyalja [1] [2] [4] [5] [7] [9] [10] [11] [12] [13] . Az instabil üregek megjelenéséből adódó egyik fontos fizikai jelenség a lökéshullámok kialakulása, majd terjedése [1] [11] .

Később azonban a kavitáció fogalmát nemcsak inerciális kavitációként kezdték érteni, amelynek definícióját fent adtuk, hanem a közegben korábban létező vagy ultrahang hatására létrejött buborékok bármely tevékenységét is, beleértve a hosszú rezgéseket is. -távú, stabil gázbuborékok [9 ] [13] . Ezek a buborékok egyesülhetnek vagy látható méretűre nőhetnek úgynevezett rektifikált vagy irányított diffúzióval [1] [6] [7] . Ennek a jelenségnek az a lényege, hogy az akusztikus rezgések időszakában a gáz a ritkítási fázisban bediffundál a buborékba, majd a kompressziós fázisban elhagyja azt. Mivel a buborék felülete a ritkítási fázisban sokkal nagyobb, mint a kompressziós fázisban, a keletkező gázáramot a buborék belsejébe irányítják, ami a buborék növekedését okozza. A stabil buborékok sok ezer vagy millió ultrahangos rezgésciklushoz léteznek, míg az inerciális kavitációs buborékok élettartama általában több ciklus időtartamához hasonlítható.

Ezt a fajta kavitációt gyakran "stabil" kavitációnak nevezik [8] , mivel lényegében egy stabil buborékmező megjelenésének felel meg, és nem kísérik az instabil ultrahangos kavitációra jellemző fizikai hatások. A fent említett szimpózium [3] azonban az ilyen típusú kavitáció leírására "legitimálta" a "nem inerciális" kavitáció kifejezés használatát, amely ezt követően általánosan elfogadottá vált. A stabilan létező buborékok megjelenése különféle, elsősorban biológiai hatásokhoz vezethet (a szövetek mikroszerkezetének deformációja, kis léptékű akusztikus áramlások  - mikroáramlások kialakulása stb.), azonban ez a jelenség nem olyan gyors, robbanásveszélyes, mint inerciális akusztikus kavitáció. Meg kell jegyezni, hogy az inerciális (instabil) kavitációs üregek kialakulásához szükséges ultrahang intenzitás küszöbértékei sokkal magasabbak, mint a nem inerciális (stabil) buborékok képződésénél.

Kavitációs csírák

Szövetrepedések keletkeznek a kavitációs magokon vagy a folyékony közeg "gyenge pontjain". A túlnyomórészt mikroszkopikus gázbuborékokból álló folyadékok gyenge pontjainak hosszú távú fennállásának (stabilizálásának) mechanizmusát régóta rejtélynek tekintik, és régóta vita tárgyát képezi. A helyzet az, hogy a Stokes felhajtóerő hatására a nagy buborékoknak fel kell úszniuk (például egy 10 μm sugarú buborék emelkedési sebessége 0,2 mm/s), a kis buborékoknak pedig fel kell oldódniuk a nyomás hatására. felületi feszültség 2σ/R , ahol σ  a felületi feszültség együtthatója a gáz és a folyadék határfelületén, és R  a buborék sugara. Például egy 1 μm sugarú buboréknál ez a többletnyomás 1,5 atm. A gázbuborékok - kavitációs magok folyadékokban való megjelenésének és stabil létezésének magyarázatára különféle mechanizmusokat vontak be, amelyeket számos könyv és áttekintés részletesen tárgyal [5] [6] [7] . Így kimutatták, hogy a vízben kozmikus sugarak , neutronok és más nagy energiájú részecskék hatására folyamatosan kavitációs magok keletkezhetnek [5] . Fox és Hertzfeld [14] azt javasolta, hogy a szerves molekulák burkot képezhetnek a buborék felületén, ami megakadályozza, hogy a gáz kidiffundáljon belőle. Egy másik elmélet a porszemcsékben és szennyeződésrészecskékben lévő mikrorepedések jelenlétével kapcsolatos; ezek a mikrorepedések, valamint a szilárd részecskék gázcsapdaként szolgálhatnak.

A biológiai struktúrák esetében a "gyenge pontok" valószínűleg mikroszkopikus méretű gázbuborékok, amelyeket szerves szennyeződésekből álló film borít, amelyek mindig jelen vannak a normálisan gázzal telített szövetekben, és szennyeződésrepedésekben vagy membránpórusokban is találhatók. Ezeket a buborékokat speciális akusztikus módszerekkel lehet kimutatni [15] . A biológiai struktúrákban a "gyenge pont" egy másik típusa lehet a különböző szövetek vagy közegek, például a vér és az érfalak közötti határfelület. Kavitációs magok szándékosan hozhatók létre, például ultrahangos echo kontrasztanyagokkal [16] .

Kavitációs küszöbök

Abban az esetben, ha a víz tökéletesen tiszta lenne, és nem tartalmazna gőz-gáz zárványokat, akkor 1000 MPa nagyságrendű húzófeszültséget tudna ellenállni [5] . A benne lévő gőzbuborékok spontán megjelenése miatt azonban a víz elméleti erőssége egy nagyságrenddel csökken, és eléri a 100 MPa-t [5] . A levegővel és a légköri porral érintkező víz valódi erőssége megegyezik a megapascal egységnyi, sőt töredékével [5] . Flynn találó megjegyzése szerint [6] minden vizet valós körülmények között nem kell széttépni – azt már a benne lévő kavitációs magok széttépik.

Megahertzes frekvenciatartományú sík ultrahanghullámok használatakor a folyékony közegekben, különösen a normál gáztartalmú biológiai közegekben kavitáció csak 0,3 W/cm 2 intenzitásnál, azaz körülbelül 1 atm hangnyomás - amplitúdónál fordulhat elő. vagy 0, 1 ( 17 ) [18] . Impulzusos besugárzási módban, valamint az ultrahang frekvenciájának növekedésével, a közeg viszkozitásának növekedésével és gáztartalmának csökkenésével a kavitációs küszöbök észrevehetően nőnek, de általában nem haladják meg a több atmoszférát. Ha azonban fókuszált ultrahangot használnak hasonló helyzetekben, a kavitációs küszöbök jelentősen megnőnek (több nagyságrenddel) a lapos ultrahangmezők küszöbéhez képest. Például a kísérleti állatok agyszövetében a kavitáció több száz és több ezer W/cm2 fokális tartományban lévő ultrahang intenzitás mellett következik be [ 19] . Azt is kimutatták, hogy a kutya izomszövetében a kavitációs küszöbök a 0,25-1,7 MHz frekvenciatartományban 5 MPa·MHz −1 hangnyomásban [20] , ami 1 MHz-es frekvencia esetén 50-szerese. magasabb, mint a fent említett kavitációs küszöb sík mezőben. A fókuszált ultrahang használatakor a kavitációs küszöbérték ilyen meredek növekedésének oka számos tényezőhöz kapcsolódik. Először is, a fókuszáló radiátor fókuszterületének térfogata sokkal kisebb, mint a befolyási terület sík ultrahangos hullámok használatakor; ennek megfelelően a fokális régióban kavitációs magok megtalálásának valószínűsége is alacsony.

További fontos tényező, hogy fókuszált ultrahang esetén magában a folyékony közegben, sík ultrahanghullámok esetén pedig elsősorban az emitter és a folyadék határfelületén jön létre a kavitáció. Mivel az emitter bármely, még jól polírozott felületén is mindig vannak levegővel teli mikrorepedések, amelyek kavitációs atommagok „generátorai” [5] [6] [7] , az ilyen interfészek jelenléte mindig hozzájárul a a közeg kavitációs erőssége. A kezdeti kavitációs csírából keletkezett kavitációs üreg összeomláskor több mikroszkopikus méretű gáz-gőz buborékra bomlik [5] , amelyek kész magokként szolgálnak, amelyeken az ultrahangos rezgések további ciklusaiban új kavitációs üregek alakulnak ki. Ez a folyamat lavinaszerűen növekszik, amíg el nem ér egy bizonyos állandósult állapotot, amely megfelel a kialakult kavitáció megjelenésének folyékony közegben. Ilyenkor sok kavitációs mag található a közegben, és a közeg kavitációs ereje már nem felel meg a kezdeti erősségnek.

A gyakorlatban az ultrahang intenzitása, amelynél a vizsgált mintában (például szövetben) kavitáció lép fel, számos tényezőtől függ: a közegben lévő ultrahangtér konfigurációjától, a közeg tisztaságától, gáztartalomtól, viszkozitástól, hőmérséklettől, külső nyomás, az ultrahangnak való kitettség története, az ultrahang gyakorisága stb. [1] . Például a külső nyomás növekedésével a kavitációs küszöb növekszik. A kavitáció elindításához szükséges akusztikus nyomásamplitúdó a besugárzott folyadék gáztartalmának növekedésével csökken. A közeg hőmérsékletének növekedésével a kavitációs küszöb csökken, a viszkozitás növekedésével pedig nő. Így a szövetekben az irodalomban bemutatott kavitációs küszöbértékek értelmetlenek a mérési körülmények részletes leírása nélkül. Így a közzétett adatok szerint a kavitációs küszöbértékek vízben 1 MHz frekvencián 1 és 2,7 × 10 3 W/cm 2 között változhatnak [21] .

Kavitációs zaj, szubharmonikusok és ultraharmonikusok

A kavitációs buborékok hangot bocsátanak ki, amely rögzíthető és elemezhető. A kavitációs zaj mérése nemcsak a közeg kavitációs erősségének meghatározását teszi lehetővé, hanem bizonyos esetekben a kavitáció fejlettségi fokának felmérését is. Alacsony, küszöb alatti intenzitás esetén csak az ultrahang f alapfrekvenciájának jele kerül ki a közegbe . Az intenzitás növekedésével azonban a kibocsátott jel spektruma összetettebbé válik, és tartalmazhat magasabb harmonikusokat (például 2 f ), szubharmonikusokat ( f /2, f /3 stb.) és ultraharmonikusokat (2 n +1). f/2 [ 1] [22] . Egy harmonikus vagy szubharmonikus megjelenése a jel spektrumában a buborék nemlineáris mozgásának mutatója. Az f /2 szubharmonikus megjelenését tanulmányozták a legaktívabban , mivel erre vonatkozóan számos bizonyítékot szereztek a hangsugárzás és a rögzített biológiai hatások közötti kapcsolat létezésére [1] [22] .

Ennek ellenére a szubharmonikusok előfordulási mechanizmusa, különösen a nem inerciális (stabil) kavitáció esetében, még mindig vita tárgyát képezi [1] . Az inerciális (nem stacionárius) kavitációnál láthatóan tisztább, mivel viszonylag nagy hangintenzitás mellett olyan buborékok bocsáthatnak ki szubharmonikust, amelyek összeomlása előtti élettartama két ultrahangos rezgési periódus. Valószínűleg az f /3 szubharmonikus kibocsátási mechanizmusa ugyanaz. Az is ismert, hogy ha ultrahangos térben kavitációs tevékenység lép fel, megnő a fehér zaj szintje, vagyis egy széles frekvenciasávban folytonos spektrumú jel. Előfordulásának mechanizmusa több hatáshoz kapcsolódik: a buborék felületének gerjesztése, a nagy intenzitású mezőben a buborékok gyors mozgásából adódó közegzavarok, valamint a buborékok összeesésekor lökéshullámok kialakulása [1] .

Szonolumineszcencia

Az inerciális kavitációs aktivitás egyik mércéje a szonolumineszcencia [23] (azaz ultrahanggal besugárzott folyadék fényemissziója) mérése, amelyet még az ultrahang diagnosztikai alkalmazására jellemző ultrahang paraméterek mellett is rögzítettek [24] . A szonolumineszcencia mechanizmusainak tanulmányozása során (még mindig nem tekinthetők teljesen egyértelműnek) a kutatók a következő tényekre bukkantak [1] :

• a ragyogás az ultrahang frekvenciájának növekedésével csökken, és nem figyelhető meg 2 MHz feletti frekvenciákon;

• a ragyogás az ultrahang bizonyos küszöbintenzitásánál jelentkezik, majd az intenzitás növekedésével növekszik, de nagyon magas intenzitás elérésekor eltűnhet;

• a ragyogás csökken a külső nyomás növekedésével;

• Az izzás csökken a középhőmérséklet emelkedésével.

A szonolumineszcencia egy hasznos technika a folyadékok kavitációjának tanulmányozására és monitorozására. Ez a módszer azonban nem alkalmazható az átlátszatlan szövetek kavitációjának vizsgálatára.

A kavitáció szabályozásának módszerei

A kavitáció szabályozására többféle módszer alkalmazható: fizikai (beleértve az akusztikus), kémiai és biológiai (főleg szövettani) [1] [2] [4] [25] [26] . A kidolgozott módszerek egy része csak biológiai szuszpenziók kavitációjának szabályozására alkalmas . Ilyenek például a kavitációs üregek vizuális regisztrálásán alapuló módszerek, a közegen kavitációs buborékokkal áthaladó fényáram változásainak tanulmányozása, a közegben bekövetkező kémiai változások tanulmányozása (például a szabad kibocsátási folyamatok). jód kálium-jodid oldatából), a makromolekulák lebomlásának , a lumineszcencia stb. vizsgálata. Ezeket a módszereket kellő részletességgel tárgyalják a fenti áttekintések és könyvek.

Az átlátszatlan biológiai szövetek kavitációjának szabályozására in vivo , szélessávú akusztikus zaj vagy szubharmonikusok regisztrálásán alapuló akusztikus módszerek, amelyek ultrahangos kavitáció jelenlétében a közegben [1] [4] [9] [19] [20] [22] legszélesebb körben használják . A kavitációs zaj figyelhető és elemezhető hidrofonokkal , amelyekből a jelet spektrumanalizátorokba , bizonyos frekvenciára (például szubharmonikusra) hangolt szűrőkre vagy szelektív voltmérőkre táplálják . Más akusztikai módszereket is alkalmaztak: ultrahang képalkotást (főleg B-scan), ultrahang szórást, második harmonikus sugárzást stb. [1] [3] [4] [11] .

Régóta ismert a kavitációs küszöbök mérésére szolgáló módszer, amely a besugárzott folyadék impedanciájában bekövetkező változások nyomon követésén alapul a benne lévő kavitációs buborékok kialakulása során. Kimutatták, hogy egy erős ultrahangos térben a víz impedanciája akár 60%-kal is csökkenhet [27] . Az impedancia figyelése a jelátalakítón áthaladó elektromos jel változásának mérésével végezhető el.

A kavitációs aktivitás mérési eredményei jelentősen torzulnak, ha hidrofont helyezünk a fókuszterületbe. Ezért olyan módszereket fejlesztenek ki, amelyek lehetővé teszik az ilyen mérések távolról történő elvégzését. Így az állatok agyszöveteinek kavitációjának szabályozására „érintkezés nélküli” akusztikus módszert alkalmaztak, amely egy fókuszáló emitter vevőként való használatán alapult, miközben egy szubharmonikust rögzítenek [28] . vagy kavitációs zaj [29] .

Kifejlesztettek egy eszközt a szövetekben keletkező kavitáció szabályozására litotripter segítségével [30] . A passzív kavitációs detektornak nevezett eszköz két ortogonális konfokális vevőből áll, amelyek fókuszterületei metszik egymást. A mért térfogat keresztirányú mérete körülbelül 5 mm. A vevőkészülékek térbeli elhelyezkedésének pontos beállítását a fókuszpontba telepített miniatűr hidrofon segítségével sikerült elérni. Számos szerző [29] [30] [31] foglalkozik a litotripterek fókuszterületén a kavitáció mérésének sajátosságaival . [32] .

A kavitáció kimutatására száloptikai hidrofonokat is használnak, amelyekkel a nyomásmérés a közeg törésmutatójának ultrahang által kiváltott változásán alapul [33] . Egy ilyen hidrofon jellemzőit és vizsgálati adatait részletesen ismertetjük [34] .

Ipari alkalmazások

Az ultrahangos kavitációt szilárd anyagok (különösen sebészeti eszközök) tisztítására , sorjázásra, diszperzióra , emulgeálásra, aeroszolképzésre és helyiségek párásítására, élelmiszeriparban stb. alkalmazzák [5] .

Orvosi alkalmazások

Az inerciális akusztikus kavitáción alapuló módszereket aktívan fejlesztették a nagy teljesítményű fókuszált ultrahang orvosi alkalmazásaiban. Úgy vélték, hogy a kavitáció előfordulásának valószínűségi jellege és az ebből eredő károsodás alakjának és helyének rossz reprodukálhatósága miatt kerülni kell a szövetek kavitációs módját. Ennek ellenére bebizonyosodott, hogy a kavitációs expozíciós mód számos esetben nem csupán alternatívája az általánosan elfogadott és leggyakrabban használt termikus szöveti expozíciós módnak, hanem lényegében az egyetlen lehetséges (és egyben biztonságos) módszerré válik. ) az ilyen alkalmazások megvalósításának módja [4] .

Például a kavitációs mód használható mély agyi struktúrák ultrahangos megsemmisítésére (ultrahangos idegsebészet) ép koponyán keresztül. Ebben az esetben a hagyományos termikus expozíciós mód alkalmazása elkerülhetetlenül a koponyacsont hőkárosodásához vezet a benne lévő ultrahang nagy abszorpciója miatt, míg az ultrahangos kavitációs mód egészen elfogadható lehet a cél eléréséhez [4] . A kavitáció a sejtmembránok elpusztítására használható, ami sejtnekrózishoz vezethet. Ez a tulajdonság az ultrahangos sebészetben használható. A kavitáció hatékony eszköz lehet a szövetekben történő abszorpció növelésére, következésképpen az ultrahangos expozíció termikus összetevőjének fokozására a szövetekben képződő gázbuborékok miatt, amelyek jelentősen növelik a hangelnyelést. A hőmérséklet emelkedése viszont fokozza az ultrahang kavitációs aktivitását, mivel a szöveti hőmérséklet emelkedése csökkenti a szövetekben a kavitációs küszöböt. Bizonyíték van arra, hogy a kavitáció az ultrahang úgynevezett szonodinamikai hatásának fő mechanizmusa, vagyis az ultrahanggal kombinált gyógyszerek daganatellenes hatékonyságának növekedése [35] . A kavitáció egy másik lehetséges alkalmazása az onkológiában a daganatot körülvevő erek pusztulásán alapulhat, ami a benne lévő véráramlás blokkolásához, és ennek következtében az ultrahang tumorsejtekre gyakorolt ​​káros hatásának növekedéséhez vezet . 4] .

Egy nagyon régi hagyomány a szöveti sejtek mechanikus megsemmisítésének módszere a lökéshullámok megjelenése miatt, amikor nagyszámú kavitációs buborék összeomlik. A szövetek sejtszerkezetének ilyen valódi kavitációs destrukciójának szövettani jellemzői jelentősen eltérnek a termikus szövetnekrózis során bekövetkező pusztulástól. Érdekes módon a lökéshullámok generálása során a szövetekre gyakorolt ​​nagy pozitív nyomások hatása önmagában nem vezetett észrevehető pusztuláshoz a tumorszövetekben in vivo , amit szövettani és citometrikus módszerekkel is megerősítettek [36] . Amint azonban a hangnyomás pozitív csúcsa előtt negatív hangnyomás keletkezett, ami jelentősen megnövelte a képződött kavitációs buborékok számát, a pusztulás kiterjedt és jól reprodukálhatóvá vált [36] [37] [38] .

A kavitációs aktivitást jelentősen fokozza a stabil mikrobuborékok előzetes bejuttatása a szövetekbe iparilag előállított echo-kontraszt szerek formájában [16] . Az állat vese szöveteiben a kavitáció előfordulásának küszöbértéke 4-szeresére csökkent. Emellett az ultrahang pusztító hatásának küszöbe is jelentősen csökkent (100-szoros időtartamban és 2-szeres intenzitásban). A kavitációs magként működő mikrobuborékok bevezetésekor a küszöb csökkentésével az akusztikus kavitáció kiszámíthatóbb és ezért elfogadhatóbb mechanizmussá tehető az ultrahangos sebészet gyakorlatában.

Az echo-kontraszt anyagok szövetekbe való bejuttatásával az ultrahang abszorpciójának növekedése figyelhető meg a szövetben a gázbuborékok megjelenése miatt [38] . Konkrétan kimutatták, hogy egy 1,1 μm-es buborék (rezonanciafrekvencia 3 MHz) abszorpciós keresztmetszete rezonancián 0,005 mm 2 , ami több nagyságrenddel nagyobb, mint egy ilyen buborék fizikai területe [38] . A becslések szerint elegendő 8 rezonáns buborék 1 mm 3 szövetben ahhoz, hogy a benne lévő hangelnyelés (és ennek következtében az ultrahang hőhatása) kétszeresére növekedjen. Kimutatták, hogy echokontraszt szerek hozzáadása a szövethez ultrahang hatására egy nagyságrenddel növeli a szövet hőmérsékletnövekedését [39] .

A gázbuborékok formájában megjelenő kontrasztanyagok ultrahanggal való kölcsönhatásának mechanizmusai, a buborékok biológiai hatásai ultrahangos térben, valamint a biztonságos gyakorlati felhasználásukra vonatkozó ajánlások kiterjedt szakirodalom tárgyát képezik [40] [41] [42] [43 ]. ] .

A nagy intenzitású fókuszált ultrahang sebészeti alkalmazásának egyik legígéretesebb területe a "hisztotripszia" [44] . Megvalósításának szükséges feltétele a mikrobuborékok jelenléte a szövetekben akár a szervezetbe juttatott kontrasztanyagok, akár az előző expozíció után a szövetekben maradt buborékok formájában. Ezek a mikrobuborékok reprodukálható kavitációs küszöböket biztosítanak, jelentősen csökkentik a törési küszöböt, és hozzájárulnak a szabályosabb törési centrumok kialakításához. Az ilyen pusztítás határai nagyon világosak és simák. A hisztotripsia előnye, hogy nemcsak a mikrobuborékokat, hanem a mechanikusan összezúzott szöveteket is felismeri az ultrahangos képalkotás. Ez lehetővé teszi, hogy megbízható információkat szerezzünk a pusztulás lokalizációjának pontosságáról és a kívánt terápiás hatás eléréséről, esetenként valós időben. A hisztotripsziás módszerrel végzett kísérletek eredményeit számos cikk [45] [46] mutatja be , és a könyv [4] elemzi .

Az ultrahangos kavitációs módot sikeresen alkalmazzák az orvostudomány olyan területein, mint az onkológia , a prosztata (prosztata) és a méh mióma sebészete , a mellkas mögötti szövetpusztulás, a pitvarfibrilláció kezelése , a glaukóma , a vérzéscsillapítás, a lökéshullám-terápia , a plasztikai sebészet , a kozmetológia , neuropátiás fájdalom eltávolítása [47] , esszenciális tremor kezelése [48] , intracerebrális daganat - glioblasztóma [49] elpusztítása, trigeminus neuralgia [50] kezelése , valamint intracerebrális vérzések [51] , Alzheimer-kór stb. (lásd [4] )

Jegyzetek

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hill, C., Bamber, J., ter Haar, G. szerk. Ultrahang az orvostudományban. Az alkalmazás fizikai alapjai. Per. angolról. — M.: Fizmatlit, 2008. — 544 p.
  2. 1 2 3 4 Leighton, T. G. Az akusztikus buborék. - London: Academic Press, 1994. - 613 p.
  3. 1 2 3 4 5 Nem termikus problémák: Kavitáció - természete, észlelése és mérése. / szerző: Barnett S. Ultrasound in Med. és Biol. - 1998. - V. 24. Suppl. 1. - P. S11-S21.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Gavrilov, L.R. Fókuszált, nagy intenzitású ultrahang az orvostudományban. - M.: Fazis, 2013. -656 p. — ISBN 978-5-7036-0131-2 .
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Sirotyuk , M. G. Akusztikus kavitáció. — M.: Nauka, 2008. — 271 p.
  6. 1 2 3 4 5 Flynn, G. Az akusztikus kavitáció fizikája folyadékokban. Per. az eng. - M .: Mir, 1967. - T. 1. - S. 7-138
  7. 1 2 3 4 5 Pernik, A. D. A kavitáció problémái. - L .: Hajógyártás, 1966. - 439 p.
  8. 1 2 Nyborg, WL Az ultrahang biológiai hatásainak fizikai mechanizmusai. DHEW 78-8062. Washington, DC: az Egyesült Államok kormányának nyomdahivatala. – 1977.
  9. 1 2 3 Akulichev, V. A. A kavitációs üregek pulzációi // A könyvben: Erőteljes ultrahangos mezők / Szerk. L. D. Rozenberg. - M .: Nauka, 1968. - S. 129-166.
  10. Rosenberg, L. D. Kavitációs régió // In the book: Powerful ultrasonic fields. / Szerk. L. D. Rozenberg. - M .: Nauka, 1968. < - S. 221-266.
  11. 1 2 3 Bailey, M. R., Khokhlova, V. A., Sapozhnikov, O. A., Kargl, S. G., Cram, L. A. A terápiás ultrahang biológiai szövetekre gyakorolt ​​hatásának fizikai mechanizmusai (Review) / / Akusztikus magazin - 2003. -T. 49, 4. sz. - S. 437-464.
  12. Apfel, RE Acoustic Cavitation // in Methods in Experimental Physics, V. 19, / szerkesztette P. Edmonds, - New York: Academic Press, 1981. - P. 355-413.
  13. 1 2 Apfel, RE Sonic effervescence: A tutorial on acoustic kavitation // J. Acoust. szoc. Am. - 1997. - V. 101., 3. sz. - P. 1227-1237.
  14. Fox, FE, Herzfield, KF Gas bubbles with organic skin as cavitation nuclei // J. Acoust. szoc. Am. - 1954. - V. 26. - P. 984-989.
  15. Gavrilov, L.R. A szabad gáz tartalma folyadékokban és mérési módszerek // A könyvben: Az ultrahangos technológia fizikai alapjai. / Szerk. L. D. Rozenberg. - M., Nauka, 1970. - S. 393-426.
  16. 1 2 Tran, BC, Seo, J., Hall, TL, Fowlkes, JB, Cain, CA Microbubble-enhanced kavitáció noninvazív ultrahangos műtétekhez. IEEE Trans. ultrahang. Ferroelektromos. frekv. ellenőrzés. - 2003. - V. 50., 10. sz. - P. 1296-1304.
  17. A forrás nincs megadva
  18. 4.3.9. (Az ultrahang felhasználása az orvostudományban: Fizikai alapok: Angolból fordította / Szerk.: K. Hill. - M .: Mir, 1989. - 568 p.)
  19. 1 2 Gavrilov, L.R. A biológiai szövetek elpusztításának fizikai mechanizmusáról fókuszált ultrahang segítségével // Acoust. magazin - 1974. - T. 20., 1. sz. - S. 27-32.
  20. 1 2 Hynynen, K. The threshold for termikusan jelentős kavitáció kutya combizomjában in vivo // Ultrasound in Med. és Biol. - 1991. - V. 17., 2. sz. - P. 157-169.
  21. Coakley, WT Az ultrahang biofizikai hatásai terápiás intenzitáson // Fizioterápia. - 1978. - V. 64. - P. 166-169.
  22. 1 2 3 Morton, KI, ter Haar, GR, Stratford, IJ, Hill, CR Szubharmonikus emisszió az ultrahanggal kiváltott biológiai károsodás indikátoraként // Ultrasound in Med. és Biol. - 1983. - V. 9., 6. sz. - P. 629-633.
  23. Margulis, M. A. Sonoluminescence // Usp. Fiz. Tudományok. - 2000. - T. 170, 3. sz. - S. 263-287.
  24. Fowlkes, JB, Crum, LA Kavitációs küszöbértékek ultrahang mikroszekundumos hosszúságú impulzusaihoz // J. Acoust. szoc. Am. - 1988. - V. 83. - P. 2190-2210.
  25. Coakley, W.T. Egyetlen kavitációs események akusztikus észlelése fókuszált mezőben vízben 1 MHz-en // J. Acoust. szoc. amer. - 1971. - V. 49., 3. sz., p. 2. - P. 792-801.
  26. Hill, CR Kavitáció kimutatása // In: Ultrahang és biológiai szövetek kölcsönhatása. - Maryland, 1972. - P. 199-200.
  27. Rozenberg, L. D., Sirotyuk, M. G. A hang sugárzásáról folyadékba kavitáció jelenlétében // Akust. magazin −1960. - V. 6, No. 4. - S. 477-479 [25].
  28. Gavrilov, LR, Dmitriev, VN, Solontsova, LV Fókuszált ultrahangos vevőkészülékek használata biológiai szövetekben történő távoli mérésekhez // J. Acoust. szoc. Amerika. - 1988. -V. 83, 3. sz. - P. 1167-1179.
  29. 1 2 Coleman, AJ, Choi, MJ, Saunders, JE Kavitációból származó akusztikus emisszió detektálása szövetben klinikai extrakorporális litotripszia során // Ultrasound in Med. és Biol. - 1996. - V. 22. - P. 1079 -1087.
  30. 1 2 Cleveland, RO, Sapozhnikov, OA, Bailey, MR, Crum, LA Kettős passzív kavitációs detektor a lithotripsy-induced cavitation in vitro lokalizált detektálásához // J. Acoust. szoc. Am. - 2000. - V. 107., 3. sz. - P. 1745-1758.
  31. Sapozhnikov, OA, Bailey, MR, Crum, LA, Miller, NA, Cleveland, RO, Pishchalnikov, YA, Pishchalnikova, IV, McAteer, JA, Connors, BA, Blomgren, PM, Evan, AP Ultrahang által vezérelt lokalizált észlelés kavitáció a litotripszia során sertésvesében in vivo // Proc. 2001 IEEE Ultrasonics Symposium (Atlanta, Georgia, 2001. október 7-10.). −2001. - V. 2. - P. 1347-1350.
  32. Bailey, MR, Pishchalnikov, YA, Sapozhnikov, OA Cleveland, RO McAteer, JAMiller, NA Pishchalnikova, IV Connors, BA Crum, LA és Evan, AP Kavitáció észlelése lökéshullám litotripszia során // Ultrasound Med. Biol. - 2005. - V. 31., 9. sz. - P. 1245-1256.
  33. Staudenraus, J., Eisenmenger, W. Fiber optic probe hidrofon ultrahangos és lökéshullám mérésekhez vízben // Ultrasonics. - 1993. -V. 4. - P. 267-273.
  34. Zhou, Y., Zhai, L., Simmons, R., Zhong, P. Measurement of high intensity focused ultrasound fields by a fiber optic probe hydrophone // J. Acoust. szoc. Am. - 2006. - V. 120., 2. sz. - P. 676-685.
  35. Umemura, S., Yumita, N., Nishigaki, R., Umemura, K. A hematoporfirin sonokémiai aktiválása: A rák kezelésének lehetséges módja / In Proc. 1989 IEEE Ultrasonics Symposium. – New York: IEEE. - 1989. - P. 955-960
  36. 1 2 Tavakkoli, J., Birer, A., Arefiev, A., Prat, F., Chapelon, J.-Y., Cathignol, D. Egy piezokompozit lökéshullámgenerátor elektronikus fókuszálási képességgel: alkalmazás kavitáció előállítására indukált elváltozások nyúlmájban // Ultrahang in Med. és Biol. - 1997.-V. 23., 1. sz. - P. 107-115
  37. Lewin, PA, Chapelon, JY, Mestas, JL, Birer, A., Cathignol, D. Új módszer az extrakorporális piezoelektromos litotripsziában (EPL) használt lökéshullámimpulzusok P+/P- arányának szabályozására // Ultrahang in Med. és Biol. - 1990. - V. 16. - P. 473-488.
  38. 1 2 3 Umemura, S., Kawabata, K., Sasaki, K. Ultrahangos szövetmelegítés in vivo gyorsítása mikrobuborékos szerrel // IEEE Trans. ultrahang. frekv. ellenőrzés. - 2005. - V. 52., 10. sz. - P. 1690 −1698
  39. Umemura, S.-I., Yoshizawa, S., Inaba, Y., Kawabata, K.-I., Sasaki, K. High intensity focused ultrasound treatment enchaced by microbubbles // Nano-Biomedical Engineering. −2012. - P. 233-246.
  40. Barnett, SB, Duck, F., Ziskin, M. Ajánlások az ultrahangos kontrasztanyagok biztonságos használatához // Ultrasound in Med. és Biol. — 2007.-V. 33., 2. sz. - P. 173-174.
  41. Dalecki, D. WFUMB biztonsági szimpózium echo-contrast agents: Bioeffects of ultrasound contrast agents in vivo // Ultrasound in Med. és Biol. - 2007. - V. 33., 2. sz. - P. 205-213.
  42. Nyborg, WL Ultrahang, kontrasztanyagok és biológiai sejtek; Egyszerűsített modell kölcsönhatásukhoz in vitro kísérletek során // Ultrasound in Med. és Biol. - 2006. - V. 32., 10. sz. - P. 1557-1568.
  43. Nyborg, W. WFUMB biztonsági szimpózium echo-contrast agents: Mechanisms for the Interaction of ultrasound // Ultrasound in Med. és Biol. - 2007. - V. 33., 2. sz. - P. 224-232.
  44. Cain, C. Hisztotripszia: Lágyszövetek kontrollált mechanikai felosztása nagy intenzitású pulzáló ultrahanggal // 5th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Boston, USA. - 2005. - 13. o.
  45. Xu, Z., Fowlkes, JB, Cain, CA Új stratégia a kavitációs szöveterózió fokozására nagy intenzitású, iniciációs szekvencia segítségével // IEEE Trans Ultrason Freq Control. - 2006. - V. 53., 8. sz. - P. 1412 -1424.
  46. Hall, TL, Fowlkes, JB, Cain, CA A kavitáció által kiváltott szövetkárosodás valós idejű mérése ultrahangos képalkotó visszaszórás csökkentésével // IEEE Trans. ultrahang. Ferroelektromos. frekv. ellenőrzés. - 2007. - V. 54., 3. sz. - P. 569-575.
  47. Jeanmonod, D., Werner, B., Morel, A., Michels, L., Zadicario, E., Schiff, G., Martin, E. Transcranialis mágneses rezonancia képalkotással vezérelt fókuszált ultrahang: noninvazív központi laterális talamotómia krónikus neuropátiás fájdalom // Neurosurg. fókusz. — 2012. -V. 32, 1. sz. - E1.
  48. Elias, W., J., Huss, D., Voss, T., Loomba, J., Khaled, M., Zadicario, E., Frysinger, R., C., Sperling, SA, Wylie, S. , Monteith, SJ, Druzgalm J., Shahm BB, Harrison, M., Wintermark, M. A pilot study of focused ultrasound thalamotomy for essential tremor // The New England Journal of Medicine. - 2013. - V. 369., 7. szám -P. 640-648.
  49. McDannold, N., Clement, G., Black, P. Jolesz, F., Hynynen, K. Agytumorok transzcranialis MRI-guided fókuszált ultrahang műtétje: Kezdeti leletek három betegnél // Neurosurgery. - 2010. - V. 66., 2. sz. - P. 323-332.
  50. Monteith, S., Medel, R., Kassell, NF, Wintermark, W., Eames M., Snell J., Zadicario, E., Grinfeld J., Sheehan JP, Elias WJ Transcranial magnetic resonance-guided fókuszált ultrahang műtét trigeminus neuralgia esetén: a cadaveric és a laboratóriumi megvalósíthatósági tanulmány // Journal of Neurosurgery. - 2013. - V. 118., 2. sz. - P. 319-328.
  51. Monteith, SJ, Harnof, S., Medel, R., Popp, B., Wintermark, M., Lopes, MB, Kassell, NF, Elias, WJ, Snell, J., Eames, M., Zadicario, E ., Moldovan, K., Sheehan, J. Intracerebralis vérzés minimálisan invazív kezelése mágneses rezonancia által irányított fókuszált ultrahanggal. Laboratóriumi vizsgálat // J. Neurosurg. - 2013. - V. 118., 5. sz. - P. 1035-1045.

Irodalom

1. Sirotyuk, M. G. Akusztikus kavitáció. — M.: Nauka, 2008. — 271 p.

2. Flynn, G. Az akusztikus kavitáció fizikája folyadékokban. Per. az eng. - M .: Mir, 1967. - T. 1. - S. 7-138.

3. Pernik, A. D. A kavitáció problémái. - L .: Hajógyártás, 1966. - 439 p.

4. Nyborg, WL Az ultrahang biológiai hatásainak fizikai mechanizmusai. DHEW 78-8062. Washington, DC: az Egyesült Államok kormányának nyomdahivatala. – 1977.

5. Akulichev, V. A. A kavitációs üregek pulzációi // A könyvben: Erőteljes ultrahangos mezők / Szerk. L. D. Rozenberg. - M .: Nauka, 1968. - S. 129-166.

7. Rozenberg, L. D. Kavitációs régió // In the book: Powerful ultrasonic fields. / Szerk. L. D. Rozenberg. - M .: Nauka, 1968. - S. 221-266.

8. Leighton, T. G. Az akusztikus buborék. - London: Academic Press, 1994. - 613 p.

9. Hill, K., Bamber, J., ter Haar, G. eds. Ultrahang az orvostudományban. Az alkalmazás fizikai alapjai. Per. angolról. — M.: Fizmatlit, 2008. — 544 p.

10. Bailey, M. R., Khokhlova, V. A., Sapozhnikov, O. A., Kargl, S. G., Cram, L. A. A terápiás ultrahang biológiai szövetekre gyakorolt ​​hatásának fizikai mechanizmusai (Review) // Acoustic. magazin - 2003. -T. 49, 4. sz. - S. 437-464.

11. Gavrilov, L. R. Fókuszált nagy intenzitású ultrahang az orvostudományban. - M.: Fazis, 2013. -656 p. — 978-5-7036-0131-2.

Lásd még