13.4. Хирургия

Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй — механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, металлических наконечников и др.

13.4.1. ХИРУРГИЯ С ПОМОЩЬЮ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКА

Хирургическая техника, которая в перспективе могла бы заменить традиционный скальпель, должна обеспечивать воспроизводимость и управляемость разрушения тканей, воздействовать только на четко ограниченную область, быть быстродействующей и вызывать минимальные потери крови. Мощный фокусированный ультразвук обладает большинством из этих качеств. Фокальная область может иметь типичные размеры в ширину и в длину.

Возможность использования фокусированного ультразвука для создания зон поражения в глубине органа без разрушения вышележащих тканей изучено в основном в операциях на мозге. Именно здесь первоначально возникла необходимость в создании таких разрушений для нужд экспериментальной нейроанатомии. Воздействие осуществлялось и на другие органы: печень, спинной мозг, почки и глаз.

Как показано в гл. 2, фокусирование ультразвука может быть достигнуто многими способами (см. также [35]). Самый простой из них — это использование преобразователя, излучающая

поверхность которого по форме представляет собой сферическую вогнутую оболочку, изготовленную из пьезоэлектрического материала. Фокус такого излучателя лежит на его главной оси и располагается вблизи центра кривизны оболочки. Как следует из работ Коссоффа [54] и О’Нейла [70], распределение акустического поля такого излучателя может быть рассчитано. Используя подобные сферические излучатели, Робинсон и Лили [78], а также Уорвик и Понд [88] произвели в мозговой ткани у крыс и кошек разрушения в фокальной области.

Хотя таким способом можно получить нагреваемую область с четко очерченными границами, регулировать глубину зоны поражения в этом случае оказывается не просто. Используя плоский излучатель совместно с различными акустическими линзами, можно добиться изменения глубины области поражения. Так как акустические линзы обычно делаются из материала, имеющего скорость звука больше, чем в воде, то для создания сходящегося пучка необходимо изготовлять линзы вогнутыми (см. гл. 2).

Главное ограничение при использовании набора из таких линз накладывает поглощение ультразвука в материале самих линз. Оптимальная передача энергии осуществляется при условии, когда линзы и излучатель разделены четвертьволновым согласующим слоем. Такие комбинации излучателя с линзами применяли Линке с соавт. [65] при создании зон поражений в печени у крыс и кроликов и в почках у кроликов.

Фокальная область, используемая в ультразвуковой хирургии, по форме представляет собой эллипсоид вращения, вытянутый в направлении центральной оси звукового поля. Распределение давления вблизи фокуса имеет вид а ширина фокального пятна равна (ср. уравнение

где фокусное расстояние, а — радиус излучателя, а X - длина волны в ткани.

Для непоглощающей среды теория дифракции предсказывает, что только 84% энергии излучателя проходит через фокальную область [48]. Однако в ткани всегда имеется реальное поглощение, и эта доля становится еще меньше.

Точная форма любого разрушения зависит от облучаемой ткани. В однородной ткани очаг разрушения будет иметь приблизительно

форму эллипсоида. Однако в том случае, когда облучаемый участок состоит из тканей двух типов, один из которых менее чувствителен к ультразвуковому разрушению, то предсказать форму пораженной зоны непросто. Такое случается, например, при облучении мозга, где селективно может быть разрушено белое вещество, так как серое вещество и сосудистая система менее чувствительны к действию ультразвука [28]. Обилие сосудов в ткани также влияет на размеры очага разрушения.

Отношение длины эллипсоида к его ширине зависит от угла, под которым происходит облучение. Из уравнения (13.1) видно, что при увеличении частоты ультразвука ширина фокального пятна уменьшается при заданной величине поглощенной энергии. Коротко говоря, величина экспозиции разрушаемого объема ткани оказывается приблизительно пропорциональной количеству энергии, поглощенному в ткани [51].

Предпринималось несколько попыток, чтобы сравнить все имеющиеся данные по пороговым интенсивностям, при которых происходит разрушение тканей (см. например, [25, 27, 52, 63]). Было сделано эмпирическое предположение (по-видимому, без точной оценки степени его достоверности), что на графике зависимости интенсивности ультразвука от времени экспозиции, построенном в дважды логарифмическом масштабе, можно выделить три линейных участка. При интенсивностях звука меньше и времени экспозиции меньше по-видимому, работает кавитационный механизм [27], а в случае, когда время экспозиции превышает 1 с [63], а интенсивность звука меньше чем [25], вероятно, работает механизм теплового разрушения. В промежуточной области, показанной на рис. 13.4, механизм разрушения неясен. Порог кавитации, измеренный Гавриловым [31] по появлению субгармоники, согласуется с этой классификацией. По мнению Джонстона и Данна [52], по-видимому, существует порог интенсивности в области для времени экспозиции с. Для интенсивности и времени экспозиции, при которых в ткани наступают разрушения, было предложено следующее соотношение:

где с — слабая функция частоты и, возможно, исходной температуры ткани [13]. При попытке найти механизм развития разрушений было обнаружено, что пороговые кривые можно предсказать заранее, если считать, что связь между напряжением и деформацией в

Рис. 13.4. Диаграмма интенсивность — время воздействия, показывающая пороги разрушения тканей фокусированным ультразвуком (двойной логарифмический масштаб). Линия соответствует соотношению (см. текст). Выделены области с преобладающим влиянием кавитационного и теплового механизмов разрушений.

ткани нелинейна и существует гистерезис [52], и что ультразвук распространяется в ткани в виде плоской волны.

Изучение зоны поражений под микроскопом, выполненное Уорвиком и Пондом [88], показывает, что разрушения имеют структуру «остров» и «ров», причем существует резкая граница между нормальной и пораженной тканью. Подобные разрушения наблюдались Пондом [73] в результате нагрева тонкой проволочки, вживленной в ткань. В мозговой ткани «остров» представляет собой коагулированную центральную часть, а «ров» характеризует разрыхление цитоплазмы нервных клеток, хотя при этом кровеносные сосуды могут остаться нетронутыми. Изучение ткани с помощью электронного микроскопа показывает, что вначале разрушаются митохондрии; они набухают и приобретают низкую

электронную плотность. Однако в мозге наиболее чувствительными оказываются синапсы и они разрушаются еще раньше [7, 22].

Воздействие фокусированным ультразвуком применялось в экспериментальной нейрохирургии для изучения функций мозга [26] и для перерезки мозолистого тела мозга при изучении поведенческих реакций [59]. Использование этой методики при лечении людей до сих пор было лимитировано необходимостью удалять часть черепа для создания акустически прозрачного «окна», через которое можно было бы пропускать ультразвуковой пучок. Фокусированный ультразвук был использован также для воздействия на глаз [10, 66] и почку [65].