Фізика ультразвуку

Автор: Ірина Брагіна, дерматокосметолог, фізіотерапевт, лікар-консультант ДК «СпортМедІмпорт» (Росія)

Ультразвук та його параметри

Ультразвук – це пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо здатне сприймати пружні хвилі, що поширюються в середовищі, частотою приблизно до 16-20 кГц. Коливання, що знаходяться за межею чутності, тобто з більш високою частотою, – це ультразвук. Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20 000 до кількох мільярдів Гц.

Глибина та сила впливу ультразвуку на біологічні тканини залежить від:

• частоти;
• форми ультразвукової хвилі, що поширюється;
• інтенсивність.

Розглянемо ці параметри докладніше.

Частота

Ця кількість повних коливань частинок середовища в одиницю часу (за секунду) вимірюється в герцах (Гц). Чим нижча частота ультразвуку, тим глибше його проникнення.

У лікувальній та косметологічній практиці ультразвук використовується у фіксованому діапазоні частот: високочастотний ультразвук – 800–3 000 кГц, низькочастотний – 22–44 кГц. Низькочастотний ультразвук, на відміну від високочастотного, більш глибоко проникає в тканини, має виражену бактерицидну, протинабрякову, розпушуючу та деполімеризуючу дію. Значно підвищує судинну та епітеліальну проникність, має форетичну активність.

Зі збільшенням частоти ультразвуку глибина проникнення зменшується. На частоті, що дорівнює 0,8 МГц, глибина проникнення в жировій тканині становить 6,8 см, у м'язовій – 3,6 см, у жировій та м'язовій тканині разом – 4,9 см. А при частоті, що дорівнює 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову та м'язову тканини, зменшується вдвічі і становить близько 1,5 см. Деякі сучасні апарати для лікування целюліту випромінюють УЗ-хвилю частотою 3 МГц. В цьому випадку глибина проникнення становить трохи більше ніж 1 см.

Високочастотний ультразвук із частотою до 1500 кГц проникає на глибину до 4-5 см і використовується для проведення процедур по тілу. Ультразвук із частотою понад 2 000 кГц проникає на глибину до 1,5 см та застосовується для проведення процедур по обличчю.

Низькочастотний ультразвук із частотами 25–44 кГц використовується переважно для ультразвукового пілінгу. У цій процедурі на глибину впливу впливатиме не так частота, скільки форма поширення ультразвукової хвилі в біотканинах, яка може бути поздовжньої, поперечної, комбінованої.

Форма розповсюдження ультразвукової хвилі

Форма поширення УЗ-хвилі в біотканинах може бути поперечною, поздовжньою та комбінованою.

У поперечних (або зсувних) хвилях пружні коливання відбуваються перпендикулярно до лінії поширення. Поперечні хвилі виникають лише на межі поділу двох середовищ (наприклад, на поверхні води, на межі «шкіра – повітря»). Механічна функція поперечної хвилі відрізняється від аналогічної функції поздовжньої виключно поверхневим впливом. Глибина проникнення поперечної хвилі в біотканині не перевищує 0,2 мм.

Порушують поверхневу поперечну ультразвукову хвилю низькочастотні косметологічні апарати за допомогою випромінювачів у вигляді «лопатки», що коливається із частотою 22–44 кГц. За допомогою таких апаратів виконуються поверхневий та глибокий пілінг – очищення шкіри та пор від мертвих клітин, шкірного сала, бактерій, залишків косметики, токсичних речовин та інших забруднень шкіри.

Ультразвук, розпорошуючи рідину, нанесену на оброблювану поверхню, викликає утворення мікроскопічних бульбашок газу, сприяє деполяризації та каталізу поверхні шкіри, проникненню води в глибокі шари, зволожує.

У поздовжній хвилі стиснення та розрідження середовища відбувається вздовж напряму поширення хвилі, углиб тканин. Генерують поздовжні хвилі високочастотні косметологічні апарати (до 3000 кГц). Випромінювачами ультразвуку служать, як правило, плоскі мембрани, що здійснюють механічні коливання вздовж напряму поширення хвилі.

Ультразвукові хвилі здатні відбиватися від кордонів різних середовищ. Відображення та заломлення ультразвуку залежить від акустичного опору середовищ. Даний ефект ми спостерігаємо, наприклад, на межі біологічних тканин та повітря, яке значно поглинає ультразвук. Тому ультразвуковий вплив необхідно здійснювати через водне або масляне контактне середовище (гель, крем, вода).

Також відображення ультразвукових хвиль залежить від кута їх падіння на зону дії. Чим більший кут відхилення, тим більший коефіцієнт відбиття. Тому під час процедури випромінювач повинен щільно притискатися до шкіри.

При ультразвуковій терапії може бути застосована стабільна (фіксоване положення випромінювача) або лабільна (переміщення випромінювача) методика проведення процедури. Лабільна методика використовується значно частіше. Переміщення випромінювача провадиться повільно, без натиску, круговими або спіралеподібними рухами. Рекомендована швидкість переміщення – 0,5-2 см за секунду.

Інтенсивність ультразвуку

Це енергія, що проходить за секунду через площу, рівну 1 см2, розташовану перпендикулярно до напряму поширення хвилі, і вимірюється у ватах на квадратний сантиметр (Вт/см2).

Інтенсивність ультразвукових коливань, що застосовується у фізіотерапевтичній та косметологічній практиці, умовно поділяють на:

• малу (0,05–0,4 Вт/см2) – стимулюючу дію;
• середню (0,5–0,8 Вт/см2) – коригуючу дію (протизапальну, знеболювальну та ін.);
• більшу (0,9-1,2 Вт/см2) - розсмоктуючу дію.

Режими генерації ультразвукових хвиль

Виділяють два режими генерації ультразвукових хвиль: безперервний та імпульсний (табл. 1).

Табл. 1. Режими генерації ультразвукових хвиль, ефекти, показання

Безперервна ультразвукова хвиля генерується при постійній інтенсивності, яка найефективніша для лікування рубцевих змін на обличчі та тілі (у тому числі постакне), гематом, темних кіл під очима, стрій, гіперпігментації, а також у хронічному періоді захворювань.

Імпульсна ультразвукова хвиля генерується при інтенсивності, що змінюється в часі. Використовується для отримання нетеплових ефектів, а саме при лікуванні запальних, пустульозних захворювань, куперозу, при проведенні процедур на чутливій шкірі, при гострому больовому синдромі.

Інтенсивність ультразвукових коливань, що генеруються, в безперервному режимі може становити 0,05–2,0 Вт/см2, в імпульсному – 0,1–3 Вт/см2.

Ультразвукові ефекти у біологічних тканинах

При дії ультразвуку на біологічні об'єкти в тканинах, що опромінюються можуть виникати різниці тисків від одиниць до десятків атмосфер. Настільки інтенсивні впливи призводять до різноманітних біологічних ефектів, фізична природа яких визначається спільною дією механічних, теплових та фізико-хімічних явищ, що супроводжують поширення ультразвуку в середовищі (табл. 2).

Табл. 2. Ультразвукові ефекти у тканинах

Дія механічного чинника пов'язані з акустичним тиском ультразвукових хвиль. Внаслідок чергування зон стиснення та розрідження в тканинах виникає вібраційний «мікромасаж» на клітинному рівні. Підвищується проникність клітинних мембран, активізуються внутрішньоклітинні процеси: синтез білка, ферментів, АТФ. Утворюються під дією ультразвукових коливань колагенові та еластинові волокна мають підвищену, вдвічі і більше, еластичність і міцність у порівнянні з «неозвученою» тканиною.

Тепловий ефект ультразвуку пов'язаний з перетворенням у тканинах механічної енергії на теплову. У тканинах, що містять молекули з великими лінійними розмірами, через значне поглинання енергії ультразвукових коливань відбувається підвищення температури до 1оС. Найбільша кількість тепла виділяється не в товщі однорідних тканин, а на межах розділу тканин з різним акустичним імпедансом - багатих колагеном поверхневих шарах шкіри, фасціях, рубцях, зв'язках, синовіальних оболонках, суглобових менісках і окістах. ). Місцеве розширення судин мікроциркуляторного русла призводить до збільшення об'ємного кровотоку в тканинах зі зниженим кровопостачанням (в 2-3 рази), підвищення обміну речовин, поліпшення еластичності шкіри та зменшення набряків.

Фізико-хімічний фактор є наслідком впливу на організм механічного та теплового ефектів, що надає стимулюючу дію на біохімічні та біофізичні процеси. Ультразвук підвищує проникність біологічних мембран, внаслідок чого відбувається прискорення процесів обміну речовин через дифузію, також сприяє синтезу АТФ, нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, полісахаридів та інших клітинних компонентів, виконує функцію каталізатора, змінює значення рН тканин до лугу, . Внаслідок активації мембранних ензимів та деполімеризації гіалуронової кислоти відбувається зменшення та розсмоктування набряків, зниження компресії нервових провідників у зоні впливу. Надалі активуються механізми неспецифічної імунологічної резистенції організму за рахунок підвищення зв'язування біологічно активних речовин (кінінів, гістаміну) з білками крові та розщеплення їх ферментами.

Дія всіх трьох факторів тісно пов'язана та доповнює один одного. У зоні дії ультразвуку покращується крово- та лімфообіг, прискорюються процеси обміну та регенерації, підвищується фагоцитоз, відновлюється імунітет. Ультразвук надає розволокна дію на фіброзну тканину, що дає хороший результат при лікуванні рубців, контрактур, фіброзного целюліту.

Найбільш чутлива до ультразвуку нервова система. Складні тканинні та ендокринні зміни в організмі під дією ультразвуку активно впливають на роботу ЦНС. Активізуються окислювально-відновні процеси в нейронах, підвищується синтез АТФ, покращується поглинання нервовими клітинами кисню та утилізація глікогену, що надає нормалізуючу дію на динаміку основних нервових процесів та психастенічний стан людини. Перераховані вище ефекти нівелюють дію ботулотоксину А, сприяючи зростанню додаткового аксону.

Біологічна дія ультразвуку пов'язана з його здатністю викликати знеболювальні, антиспастичні, судинорозширювальні, розсмоктують, протизапальні ефекти в тканинах. Можливість ультразвуку підвищувати епітеліальну та судинну проникність визначає форетичний ефект.

Ультразвук в естетичній медицині

Ультрафонофорез та його відмінності від електрофорезу

Ультрафонофорез – це поєднана дія на організм ультразвуку та нанесених на шкіру лікарських та косметичних засобів, що зберігають свою структуру та фармакотерапевтичну активність при дії механічної хвилі. Введення необхідних речовин в організм при ультрафонофорезі відбувається через вивідні протоки потових та сальних залоз, здійснюється також черезклітинний та міжклітинний шляхи проникнення. Причому проникнення речовини, що форетується, – глибше (максимально до 6–7 см), ніж при електрофорезі (гальванічний струм – 1 см, імпульсний – до 3 см). Але, на відміну електрофорезу, при ультразвуку не вдається накопичити в шкірі лікарські речовини у достатній концентрації, і діють протягом відносно нетривалого часу. Незважаючи на це, внаслідок поєднаної дії фонофорезу та різних терапевтичних ефектів УЗ (механічного, теплового, хімічного) лікувальні ефекти потенціюються та виявляються досить вираженими. При проведенні процедури вводиться речовина необхідно включити до складу контактного середовища, основою для якого можуть бути гліцерин, ланолін, вазелінове масло, диметилсульфоксид та ін.

На жаль, далеко не кожен засіб можна ввести за допомогою ультразвуку, так як форетична активність залежить як від структури речовини, що вводиться, так і від ступеня дисперсності, що визначається розмірами молекул і природою розчинника. З ускладненням структури форетична рухливість значно знижується. Вона є максимальною при використанні 5–10% водних розчинів речовини. При цьому кількість речовини, що вводиться в організм, не перевищує 1–3% від нанесеної на поверхню шкіри і залежить від :

• частоти ультразвуку (що вона менша, тим більше амплітуда індукованих коливальних зсувів частинок лікарської речовини);
• інтенсивності (форетична активність посилюється у разі підвищення інтенсивності до 0,8 Вт/см2, а при подальшому збільшенні починає знижуватися);
• тривалості впливу (кількість речовини, що форетується, прямо пропорційно часу впливу);
• режиму генерації ультразвукової хвилі (при безперервному режимі впливу форетична здатність більша, ніж при імпульсному);
• методики проведення процедури (при лабільній методиці кількість речовини, що вводиться вище, ніж при стабільній).

Кавітація

Кавітація (від латів. сavitas – порожнеча) – це процес утворення рідини порожнин (кавітаційних бульбашок, чи каверн), заповнених газом, парою чи його сумішшю. Кавітація буває гідродинамічної та акустичної.

Гідродинамічна кавітація виникає внаслідок зниження тиску рідини, що може бути викликано збільшенням швидкості її руху.

Акустична кавітація виникає при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності через рідину, саме цей вид кавітації використовується в естетичній медицині.

Кавітаційний пляшечку може переміщатися з області з низьким тиском в область з високим тиском, при цьому змінюючи свої розміри. Він може пройти кілька періодів збільшення та зменшення. Переміщаючись з потоком в область з більш високим тиском або під час напівперіоду стиснення, кавітаційний пляшечку може хлопатися, випромінюючи при цьому ударну хвилю і виділяючи велику кількість енергії.

Головне завдання ультразвукової (акустичної) кавітації у косметології – боротьба з надмірними жировими відкладеннями. При цьому хочеться відзначити, що кавітація не є лікуванням ультразвуком. Ультразвук тут використовується не як метод впливу, а як фізичний фактор, який спричинює ефект кавітації у жировій тканині.

Змінюючи параметри ультразвукової хвилі (частоту та інтенсивність), можна отримувати різні види кавітації, які будуть впливати на жирову тканину: або зменшувати кількість адипоцитів, або зменшувати їх обсяг.

Стабільна невибухова кавітація виникає при інтенсивності від 0,8 до 3 Вт/см2, коли стабільний тиск різної сили викликає компресію адипоцитів, внаслідок чого відбувається розпад жирової краплі до дрібнодисперсного стану та виведення через пори клітинної мембрани. При цьому адипоцит зберігає свою клітинну структуру, зменшується обсяг жирової краплі.

Нестабільна вибухова кавітація виникає за високої інтенсивності коливань (60 Вт/см2), вкладених у невелику поверхню. У цьому спостерігається дроблення клітин: вони «вибухають».

У косметології використовується методика кавітаційної безопераційної ліпосакції . Поєднання низькочастотного ультразвуку (38-41 КГц), низького тиску (0,6 кПа) і певної щільності потоку в жирових клітинах викликає ефект акустичної кавітації, при цьому утворюється максимальна кількість бульбашок необхідного розміру, які, збільшуючись у розмірах, емульгують жир і витісняють його з адипоцитів. При схлопывании бульбашок усередині жирової клітини відбувається гідродинамічний поштовх, свого роду мікровибух із виділенням великої кількості енергії. Ці мікровибухи ушкоджують клітинні мембрани адипоцитів. При цьому ушкоджуються в першу чергу мембрани найбільш наповнених жиром клітин, внаслідок їхньої найбільшої напруги. Тригліцериди, що вивільнилися, виводяться з міжклітинного простору шляхом природних метаболічних процесів. 90% продуктів розпаду виводиться через лімфатичну систему і 10% абсорбується в кровоносне русло, де в результаті реакції тригліцериди перетворюються на молекули глюкози.

У той же час інші клітини та тканини (м'язові фібрили, клітини епідермісу, ендотелію судин тощо) під дією кавітації не ушкоджуються, оскільки є відносно міцними і мають достатній коефіцієнт еластичності. Було проведено багато наукових досліджень, які довели ефективність та безпеку кавітації.

HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) – фокусований ультразвук

Один із найцікавіших нових напрямків медичного ультразвуку пов'язаний з можливістю дистанційного руйнування біологічної тканини за рахунок поглинання в ній потужної фокусованої акустичної хвилі.

Оскільки ультразвук можна фокусувати так само, як світло, можна досягти локального нагрівання тканини всередині тіла людини до температури, достатньої для згортання крові або некрозу м'яких тканин, без перегріву тканин на шляху до фокусу. Фокусування ультразвуку може бути досягнуто декількома способами. Найпростіший з них – це використання перетворювача, випромінююча поверхня якого формою являє собою сферичну увігнуту оболонку, виготовлену з п'єзоелектричного матеріалу. Фокус такого випромінювача лежить на його головній осі та розташовується поблизу центру кривизни оболонки. Хоча таким способом можна отримати область, що нагрівається з чітко окресленими межами, регулювати глибину зони ураження в цьому випадку виявляється непросто. Використовуючи плоский випромінювач спільно з різними акустичними лінзами, можна змінити глибину області ураження. Так як акустичні лінзи зазвичай робляться з матеріалу, що має швидкість звуку більше, ніж у воді, то для створення пучка, що сходить, необхідно виготовляти лінзи увігнутими. У сучасних косметологічних апаратах використовуються обидва способи фокусування. За допомогою фокусування можна досягти у невеликому обсязі жирової тканини потужності кілька десятків ват.

На шляху проходження ультразвукової хвилі до фокальної зони зберігаються всі властивості лінійного ультразвуку. Особливо важлива дефіброзуюча дія ультразвуку на сполучнотканинні структури в гіподермі, деполімеризація тригліцеридів і підвищення їхньої плинності. За рахунок явища стабільної кавітації значно прискорюється ліполіз та виведення продуктів розпаду жирової краплі за межі адипоцитів.

У зоні фокусування відбувається складання ультразвукових хвиль (у рази збільшуються тепловий та механічний ефекти), що призводить до теплового руйнування білкових структур та механічного пошкодження клітинної мембрани. Це дозволяє використовувати сильний ультразвук, наприклад, для руйнування пухлин, жирової тканини, для зупинки внутрішніх кровотеч неінвазивно, тобто без нормального хірургічного втручання. У косметології фокусований ультразвук застосовується для роботи в області локальних жирових відкладень та лікування целюліту.

Ці механізми, їх внесок у руйнування тканини, можливість їх використання для контролю за процедурою HIFU в режимі реального часу до кінця не зрозумілі і є цікавим об'єктом фізичних досліджень як в теорії, так і експериментально.

***

Отже, ми проаналізували основні характеристики ультразвуку та способи його використання в естетичній медицині. А насамкінець склали таблицю 3, в якій остаточно систематизували всі дані, про які йшлося у статті.

Табл. 3. Найважливіші параметри ультразвуку та їх використання в естетичній медицині

Джерело: Les Nouvelles Esthetiques Україна, №3 (85), 2014, стор.54-60