12.3. Радиационное давление, акустические течения и другие нетепловые механизмы

Физические механизмы воздействия ультразвука на ткани, описанные в разд. 12.1 и 12.2, а именно тепловые и кавитационные, хорошо исследованы и в настоящее время ни у кого нет сомнений в том, что они вызывают изменения в биологических системах.

В этом разделе мы обсудим класс явлений нетепловых и некавитационных но своей природе, но тем не менее таких, которые могут вызывать биоэффекты. Факты биологического действия этих явлений, как будет видно, менее достоверны, чем для тепла и кавитации, и во многих случаях вместо доказательств существуют лишь гипотезы. В последующих главах этой книги будет доказано, что такие нетепловые и некавитационные механизмы воздействия ультразвука могут иметь большое значение для терапевтического и хирургического применения ультразвука или выявления вредных побочных воздействий, которые могут вызываться при этом.

12.3.1. РАДИАЦИОННОЕ ДАВЛЕНИЕ

Ультразвук оказывает силовое воздействие на стенки сосуда, в котором распространяется, а также на любую неоднородность, попадающую в поле. Эти силы имеют две компоненты — осциллирующую, имеющую частоту ультразвука и среднее по времени

значение, равное нулю, и компоненту с ненулевым средним значением. Эта постоянная компонента носит название радиационной силы и возникает из-за нелинейности процессов распространения звука. Этот предмет уже рассматривался теоретически в этой книге (см. разд. 1.8).

Радиационная сила может использоваться для определения средних интенсивностей путем измерения отклонений мишени под действием ультразвукового пучка (см. разд. 1.3 и 3.4). Можно показать, что сила, действующая на идеально отражающую мишень, равна

где площадь поперечного сечения мишени [109].

Сила, действующая на идеально поглощающую мишень, равна

Радиационная сила, действующая на сферу радиусом в плоской ультразвуковой волне, может быть записана (уравнение (3.36)) как

где константа.

Подобным образом может быть получено выражение для радиационной силы, действующей на твердую сферу, малую по сравнению с длиной волны (а <4 X). Общее выражение для силы, действующей на такую сферу в ультразвуковом поле, которое симметрично в ближайшей окрестности такой сферы, следующее:

где — объем сферы, средние по времени плотности кинетической энергии и потенциальной энергии (V), вычисленные во втором приближении, где плотность сферы. А — слагаемое, которое важно только в случае, когда существенно однородны, как, например, в плоской бегущей волне [106].

Можно показать, что в поле стоячих волн, уравнение (12.25) упрощается [57]:

Можно также вычислить силу, действующую на сжимаемую сферу [47, 140]. Показано, что сила, действующая на сжимаемую сферу, равна сумме силы, действующей на твердую сферу, и силы, обусловленной ее сжимаемостью [20]. Эллер [30] показал, что сила, обусловленная сжимаемостью сферы, равна

где обозначает усреднение по времени, мгновенный объем сферы, — распределение давления вдоль оси х.

Сила, действующая на сжимаемую сферу из-за радиационного давления в поле стоячих волн, равна [52]

где

Пространственный период этой силы равен половине длины волны и, таким образом, она может быть ответственна за явление стаза клеток крови [27, 58], при котором циркулирующие в небольших кровеносных сосудах эритроциты под действием поля стоячих звуковых волн собираются в хорошо заметные плоские скопления, ориентированные нормально к направлению поля.

Направление, в котором частички движутся в стоячей волне, зависит от знака функции [140]. При стазе клеток крови сгустки эритроцитов образуются в узлах давлений [48].