Microsoft Word Пособие Дем-Руб 2010. doc

---

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 
Национальный исследовательский университет 
Учебно-научный и инновационный комплекс
«Физические основы информационно-телекоммуникационных систем» 
Демин И.Ю. 
Прончатов-Рубцов Н.В. 
ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНИК ПО КУРСУ ЛЕКЦИЙ (СПЕЦКУРС) 
«АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ 
(МЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА)» 
(Электронный курс лекций) 
Мероприятие 1.2. Совершенствование образовательных технологий, укрепление 
материально-технической базы учебного процесса 
Учебная дисциплина: «Акустические методы исследований в биологии и медицине» 
Направления: «010800.62 Радиофизика» 
Нижний Новгород 
2010 
 

---

2
 ОГЛАВЛЕНИЕ 
ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ 
ТКАНИ 
3
1.1. Воздействие ультразвука на биологические клетки 
3
1.2. Скорость и тепловые эффекты ультразвука 
6
1.3. Затухание и поглощение ультразвука в биотканях 
7
1.4. Особенности распространения ультразвука в биологической среде 10
1.5. Использование биологического действия ультразвука 11
Список литературы к главе 1 
12
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ 
14
2.1. Ультразвуковые терапевтические приборы. 15
2.2. Применение ультразвука в хирургии. Хирургия с помощью 
фокусированного ультразвука 
21
2.3. Приборы ультразвуковой диагностики 31
Список литературы к главе 2. 
42

---

3
Глава 1. Воздействие ультразвука на биологические ткани 
 
1.1. Воздействие ультразвука на биологические клетки 
Клетка представляет из себя минимальный биологический объект [2,3] , можно сказать, 
биологический атом, все ткани и органы живого организма состоят из различных клеток. 
Несмотря на огромное разнообразие различных видов клеток, во всех них можно 
выделить много общих черт. Прежде всего, это общая структура (приведена на ри.1.1.1): 
любая клетка состоит из некоторого содержимого, отделенного от внешней среды 
клеточной мембраной – тонким слоем макромолекул, защищающим клетку и 
обеспечивающим ее обмен со внешним миром. Поверхность мембраны не является 
сплошной, в ней имеется множество каналов, обеспечивающих пропускание различных 
веществ – в основном, ионов легких металлов. Различные органические соединения, 
расположенные на внешней поверхности мембраны, необходимы для регулирования 
проводимости каналов и всего процесса жизнедеятельности клетки. Внутри клетки в 
некотором растворе, называемом цитоплазмой, располагаются различные органоиды – 
сложные комплексы, выполняющие каждый свою функцию. Среди них важнейшими 
являются ядро и ядрышко клетки, вакуоли, комплекс Гольджи и другие. Только 
правильная согласованная работа всех органоидов обеспечивает нормальное 
функционирование клетки как целого. Для этого необходимо поддерживать определенный 
состав цитоплазмы, концентрации различных веществ в ее растворе должны находиться в 
некоторых допустимых пределах. 
Р и с . 1 . 1 . 1 .
О б щ а я с т р у к т у р а к л е т к и

---

4
Теперь рассмотрим собственно влияние ультразвука на отдельные биологические 
клетки, находящиеся во взвешенном состоянии в каком-либо растворе [1,2]. Идеальный 
объект для изучения данного явления – одноклеточные организмы в естественной среде 
обитания, так же в виде отдельных клеток во взвеси существуют, например, эритроциты в 
крови человека и некоторые другие клетки. Влияние ультразвука на популяции клеток – 
например, на живые ткани и органы, – вопрос гораздо более сложный, т.к. в популяции 
клетки взаимодействуют друг с другом, что может приводить к неочевидным результатам. 
Мощный, особенно низкочастотный ультразвук способен механически разрывать 
клеточные мембраны (рис.1.1.2) , что приводит к нарушению целостности и гибели 
клеток. Действие ультразвука может приводить к существенному изменению 
механических, электрических и иных свойств клеточных мембран. Облучение 
ультразвуком может приводить к нарушению внутреннего состава клеток и изменению 
концентраций веществ, растворенных в цитоплазме. При длительном воздействии 
ультразвука последствия остаются в течение некоторого времени после прекращения 
облучения, и нормальная жизнедеятельность клетки может не восстановиться в течении 
нескольких минут, часов или даже дней. 
Остановимся подробнее на каждом из перечисленных эффектов отдельно. Разрыв 
клеточных мембран и нарушение механической целостности клеток – пожалуй, наиболее 
очевидное из возможных последствий ультразвукового облучения. При прохождении в 
среде обитания клеток акустической волны в ней создаются переменные во времени 
механические напряжения, и если их амплитуда достаточно высока, клетка может просто 
не выдержать такого сильного воздействия, ее мембрана разорвется. Особенно опасен для 
клеток низкочастотный ультразвук. Однако даже при низких частотах механическое 
повреждение и гибель клеток происходят только при достаточно высоких интенсивностях 
ультразвука, существенно превышающих физиологические дозы. 
Изменение свойств мембраны под действием ультразвука обусловлено по большей 
части «отрыванием» мощным излучением макромолекул и молекулярных комплексов со 
внешней поверхности мембраны. Оторванные соединения растворяются в окружающей 
среде и могут снова «вернуться» на свое прежнее место через некоторое время после 
прекращения ультразвукового воздействия. Оставшись без важных составляющих, 
мембранные каналы сильно изменяют свою проводимость и иные свойства, мембрана 
функционирует аномально. 

---

5
Р и с . 1 . 1 . 2 .
С х е м а к л е т о ч н о й м е м б р а м ы
У некоторых клеток под действием ультразвука наблюдается генерация мембраной 
электрического потенциала действия. Это вынужденное возбуждение связано с 
описанным выше изменением электрических свойств мембраны. 
Следующее важное следствие действия ультразвука – изменение концентрации 
различных веществ в составе цитоплазмы. Как было сказано выше, клетка – не замкнутая 
система, она постоянно находится в обмене веществом и энергией с окружающей средой. 
Так, каждое вещество, растворенное в цитоплазме, постоянно вытекает из клетки по 
мембранным каналам и, с другой стороны, поступает обратно в клетку из окружающей 
среды по ним же. Равновесная концентрация определяется, как правило, равновесием этих 
двух процессов. В простейшем приближении можно считать, что поток каждого вещества 
складывается из двух составляющих [4]: