Страница 13 из 34
Глава 2. Возможности применения фокусированного ультразвука для изучения органов чувств
За последние 30 лет ультразвук начали использовать в самых различных областях техники, биологии и медицины. Накопилась обширная литература, многие тысячи источников, целые «слои». В большинстве случаев речь здесь идет о несфокусированных, т. е. или расходящихся, или прожекторно-направленных, колебаниях. Фокусированному ультразвуку до настоящего времени отводилось весьма скромное место.
В физиологии и медицине действие ультразвука изучалось, как правило, с точки зрения вызываемых им разрушений или лечебно-терапевтических влияний. Лишь в 60-е годы П. О. Макаров, Б. М. Сагалович и некоторые другие исследователи начали применять ультразвук для получения функциональных эффектов. Заметим сразу, что мы не касаемся обширной области «ультразвуковой визуализации органов и тканей», которая уже давно выделилась в самостоятельное научно-техническое направление. Толчком к расширению исследований «функциональных возможностей» фокусированного ультразвука явились представления В. А. Цукермана, сформулированные в 1969 г. Он считал перспективными попытки активировать нейроны головного мозга в заданной области сходящимися ультразвуковыми волнами, что исключило бы необходимость оперативного вмешательства для доступа к нужной структуре и использования контактных электродов.
Появившееся в начале 70-х годов содружество представителей нескольких учреждений — лабораторий, возглавлявшихся членом-корреспондентом АН СССР Г. В. Гершуни, доктором биологических наук О. Б. Ильинским, доктором физико-математических наук М. Г. Сиротюком, положило начало исследованиям функционального действия фокусированного ультразвука на поверхностные и глубокие структуры организма человека и животных.
Первоначально возникла простая на первый взгляд мысль: искать активирующее действие ультразвука прежде всего на рецепторном уровне сенсорных систем, как наиболее чувствительном к действию внешних стимулов. Были получены первые результаты, которые показали возможность раздражения системы кожной чувствительности импульсами фокусированного ультразвука. И вся гамма ощущений, которые в естественных условиях хорошо знакомы каждому — от легкого прикосновения, щекотки, тепла или холода до боли, — возникала при изменении параметров ультразвука. Эти ощущения были описаны, изучены, количественно охарактеризованы. Техникотеоретические исследования доктора технических наук Л. Р. Гаврилова и результаты изучения кожной чувствительности позволили расширить область применения фокусированного ультразвука и выяснить в дальнейшем возможность введения слуховой информации при фокусировке ультразвука на лабиринт. Исследования, проведенные с участием специалистов клинико-физиологического направления, дали возможность обосновать различные способы диагностики заболеваний слуха и кожной чувствительности. Экспериментальные физиологические исследования расширили представления об общих и специфических закономерностях в деятельности органов чувств и позволили обосновать безопасные режимы воздействия фокусированным ультразвуком на различные рецепторные воспринимающие поверхности.
В настоящее время еще недостаточно изучены механизмы активирующего действия ультразвука; необходимо изучить метрологическое обеспечение исследований, без которого невозможно, например, массовое применение ультразвуковых методик в клинике. Нет пока общепринятой стратегии выделения действующих факторов ультразвукового стимула, обеспечивающих тот или иной функциональный эффект в конкретных случаях.
Исследования морфо-физиологов до сих пор — «первая лыжня» на сложном пути обоснования критериев действия ультразвука, его специфических особенностей с точки зрения реакции биологических систем, безопасности его воздействия. Ультразвук не только активирует, но и разрушает. Пусть велик диапазон между раздражающими и разрушающими режимами, но все же нужно помнить первую заповедь медика: не вреди. Для того чтобы ультразвук мог быстро и основательно стать на службу здоровья, необходимо участие врачей-исследователей, специалистов в области клинической физиологии сенсорных систем.
Сейчас фокусированный ультразвук используется в физиологии и разных областях медицины. В ряде случаев, однако, имеется только «введение», последующие «главы» нужно создавать. Отечественные работы по изучению и практическому использованию активирующего действия фокусированного ультразвука носят приоритетный характер, а это дополнительный аргумент для их усиления: важно, чтобы новая область развивалась и укреплялась.
Некоторые общие сведения об ультразвуке
Понятие «ультразвук» относится к волновому механическому колебательному процессу частотой от 2·104 до 109 Гц. Когда частота превышает 109, до 1013, Гц, говорят о гиперзвуке. Выделение ультразвука как самостоятельного понятия исторически связано со слухом человека. Если частота механических колебаний, распространяющихся по воздуху, выше воспринимаемой человеком, говорят об ультразвуке или, в зависимости от частоты, о гиперзвуке; если ниже — об инфразвуке. По физической природе инфразвук, ультра- и гиперзвук не отличаются друг от друга. Отличия возникают преимущественно при взаимодействии каждого из перечисленных колебательных процессов со средой. Например, из-за очень малых длин волн гиперзвука существенным становится взаимодействие его с квазичастицами среды — электронами, фотонами и другими.
Удивительная способность некоторых животных ориентироваться в пространстве, избегать препятствий в темноте всегда привлекала внимание и побуждала к выяснению ее причин. Итальянский ученый Л. Спалланцани в 1793 г. опубликовал сведения, согласно которым эта способность связана со слухом, а не со зрением, как предполагали раньше. Через 5 лет швейцарский энтомолог Ш. Жюрин привел данные, свидетельствующие о том, что именно слух летучих мышей позволяет им обнаруживать препятствия. Однако эти исследования не помешали французскому зоологу Ю. Кювье выдвинуть гипотезу, по которой способности к ориентации летучих мышей в темноте определяются очень развитой у них системой осязания. В дальнейшем английский ученый X. Хартридж вновь привлек внимание к возможности локализации этими животными колебаний высокой частоты, не воспринимаемых человеком. И лишь в 1938 г. Д. Гриффин — известный в дальнейшем американский специалист по ориентации с помощью эхолокации, а тогда студент — обнаружил высокочастотные сигналы, издаваемые летучими мышами. Исследования его и других ученых подтвердили ранние представления об ультразвуковой ориентации летучих мышей. К настоящему времени доказано, что многие животные издают и воспринимают ультразвуковые колебания: ночные птицы, например гуахара, млекопитающие, в частности некоторые из землероек, крысы, мыши. Спектр «звуков», издаваемых домашней кошкой, простирается до 60 кГц, то же самое характерно и для собак некоторых пород. Новые исследования постоянно увеличивают список животных, в сигналах которых присутствуют ультразвуковые составляющие. Наиболее детально изучены подобные сигналы у летучих мышей и дельфинов.
В повседневной жизни человек соприкасается с множеством источников ультразвуковых колебаний, природных или создаваемых им самим. Ультразвуки содержатся в шумах ветра и моря, издаются животными и даже самим человеком, присутствуют во время работы различных механизмов. В большинстве случаев они не воспринимаются человеком.
Ультразвук широко применяют в разных областях науки, техники, медицине. Специфические его особенности обусловлены, в частности, длиной волны, которая может быть короче диаметра излучающей поверхности, благодаря чему ультразвук способен распространяться направленно. Подобно свету его можно сфокусировать на ограниченном участке. В технике ультразвук получают преимущественно механическим и электроакустическим способами. В механических преобразователях кинетическая энергия, например струи воздуха, переходит в акустическую (принципы сирены, свистка). Другие принципы использованы в пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователях, которые значительно более распространены, чем механические. В пьезоэлектрических преобразователях использован эффект, обнаруженный в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри. При деформации пластины кварца возникают электрические заряды. Электричество, возникающее при давлении, было названо «пьезоэлектричеством» («пьезо» — по-гречески «давить»). Но может быть и противоположный эффект: под действием электричества кварцевая пластинка меняет свои размеры. Если на пластинку подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной ее собственной резонансной частоте, пластинка начинает колебаться с наибольшей амплитудой.