Физика ультразвука

Автор: Ирина Брагина, дерматокосметолог, физиотерапевт, врач-консультант ГК «СпортМедИмпорт» (Россия)

---

Ультразвук и его параметры

Ультразвук – это упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо способно воспринимать распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16–20 кГц. Колебания, находящиеся за пределом слышимости, то есть с более высокой частотой, – это и есть ультразвук. Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов Гц.

Глубина и сила воздействия ультразвука на биологические ткани зависит от:

• частоты;
• формы распространяющейся ультразвуковой волны;
• интенсивности.

Рассмотрим эти параметры подробнее.

Частота

Это количество полных колебаний частиц среды в единицу времени (за секунду), измеряется в герцах (Гц). Чем ниже частота ультразвука, тем глубже его проникновение.

В лечебной и косметологической практике ультразвук используется в фиксированном диапазоне частот: высокочастотный ультразвук – 800–3 000 кГц, низкочастотный – 22–44 кГц. Низкочастотный ультразвук, в отличие от высокочастотного, более глубоко проникает в ткани, обладает выраженным бактерицидным, противоотечным, разрыхляющим и деполимеризующим действием. Значительно повышает сосудистую и эпителиальную проницаемость, обладает форетической активностью.

С увеличением частоты ультразвука глубина проникновения уменьшается. На частоте, равной 0,8 МГц, глубина проникновения в жировой ткани составляет 6,8 см, в мышечной – 3,6 см, в жировой и мышечной ткани вместе – 4,9 см. А при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза и составляет около 1,5 см. Некоторые современные аппараты для лечения целлюлита излучают УЗ-волну частотой 3 МГц. В этом случае глубина проникновения составляет чуть больше 1 см.

Высокочастотный ультразвук с частотой до 1 500 кГц проникает на глубину до 4–5 см и используется для проведения процедур по телу. Ультразвук с частотой свыше 2 000 кГц проникает на глубину до 1,5 см и применяется для проведения процедур по лицу.

Низкочастотный ультразвук с частотами 25–44 кГц используется преимущественно для ультразвукового пилинга. В данной процедуре на глубину воздействия будет влиять не столько частота, сколько форма распространения ультразвуковой волны в биотканях, которая может быть продольной, поперечной, комбинированной.

Форма распространения ультразвуковой волны

Форма распространения УЗ-волны в биотканях может быть поперечной, продольной и комбинированной.

В поперечных (или сдвиговых) волнах упругие колебания совершаются перпендикулярно линии распространения. Поперечные волны возникают только на границе раздела двух сред (например, на поверхности воды, на границе «кожа – воздух»). Механическая функция поперечной волны отличается от аналогичной функции продольной исключительно поверхностным воздействием. Глубина проникновения поперечной волны в биоткани не превышает 0,2 мм.

Возбуждают поверхностную поперечную ультразвуковую волну низкочастотные косметологические аппараты с помощью излучателей в виде «лопатки», колеблющейся с частотой 22–44 кГц. С помощью таких аппаратов выполняются поверхностный и глубокий пилинг – очищение кожи и пор от мертвых клеток, кожного сала, бактерий, остатков косметики, токсических веществ и других загрязнений кожи.

Ультразвук, распыляя жидкость, нанесенную на обрабатываемую поверхность, вызывает образование микроскопических пузырьков газа, способствует деполяризации и катализу поверхности кожи, проникновению воды в глубокие слои, увлажняет.

В продольной волне сжатие и разрежение среды происходит вдоль направления распространения волны, вглубь тканей. Генерируют продольные волны высокочастотные косметологические аппараты (до 3 000 кГц). Излучателями ультразвука служат, как правило, плоские мембраны, совершающие механические колебания вдоль направления распространения волны.

Ультразвуковые волны способны отражаться от границ различных сред. Отражение и преломление ультразвука зависит от акустического сопротивления сред. Данный эффект мы наблюдаем, например, на границе биологических тканей и воздуха, который значительно поглощает ультразвук. Поэтому ультразвуковое воздействие необходимо осуществлять через водную или масляную контактную среду (гель, крем, вода).

Также отражение ультразвуковых волн зависит от угла их падения на зону воздействия. Чем больше угол отклонения, тем больше коэффициент отражения. Поэтому во время процедуры излучатель должен плотно прижиматься к коже.

При ультразвуковой терапии может быть применена стабильная (фиксированное положение излучателя) или лабильная (перемещение излучателя) методика проведения процедуры. Лабильная методика используется значительно чаще. Перемещение излучателя производится медленно, без нажима, круговыми или спиралевидными движениями. Рекомендуемая скорость перемещения – 0,5–2 см в секунду.

Интенсивность ультразвука

Это энергия, проходящая за одну секунду через площадь, равную 1 см2, расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны, и измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/см2).

Применяемую в физиотерапевтической и косметологической практике интенсивность ультразвуковых колебаний условно подразделяют на:

• малую (0,05–0,4 Вт/см2) – стимулирующее действие;
• среднюю (0,5–0,8 Вт/см2) – корригирующее действие (противовоспалительное, обезболивающее и пр.);
• большую (0,9–1,2 Вт/см2) – рассасывающее действие.

Режимы генерации ультразвуковых волн

Выделяют два режима генерации ультразвуковых волн: непрерывный и импульсный (табл. 1).

Табл. 1. Режимы генерации ультразвуковых волн, эффекты, показания

Режим генерации	Эффекты	Показания
Непрерывная волна (––), постоянная интенсивность 0,05–2,0 Вт/см2	Тепловые	рубцовые изменения (постакне) гематомы темные круги под глазами стрии гиперпигментации хронический патологический процесс
Импульсная волна (---), интенсивность изменяется во времени на 0,1–2,0 Вт/см2	Нетепловые	острый воспалительный процесс (пустулезное акне) чувствительная кожа купероз болевой синдром

Непрерывная ультразвуковая волна генерируется при постоянной интенсивности, которая наиболее эффективна для лечения рубцовых изменений на лице и теле (в том числе постакне), гематом, темных кругов под глазами, стрий, гиперпигментации, а также в хроническом периоде заболеваний.

Импульсная ультразвуковая волна генерируется при изменяющейся во времени интенсивности. Используется для получения нетепловых эффектов, а именно при лечении воспалительных, пустулезных заболеваний, купероза, при проведении процедур на чувствительной коже, при остром болевом синдроме.

Интенсивность генерируемых ультразвуковых колебаний в непрерывном режиме может составлять 0,05–2,0 Вт/см2, в импульсном – 0,1–3 Вт/см2.

Ультразвуковые эффекты в биологических тканях

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых тканях могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде (табл. 2).

Табл. 2. Ультразвуковые эффекты в тканях

Фактор
Механический		Тепловой	Физико-химический
На клеточном уровне	На тканевом уровне
действие механического фактора связано с акустическим давлением ультразвуковых волн. В результате чередования зон сжатия и разряжения в тканях возникает вибрационный «микромассаж» на клеточном уровне, микромассаж межклеточного пространства повышение проницаемости клеточных мембран увеличение проникновения питательных веществ улучшение метаболизма и регенерации клеток тела разрыв слабых межмолекулярных связей уменьшение вязкости цитозоля переход ионов и биологически активных соединений в свободное состояние	ускоряется местное кровообращение и лимфоток нормализуются процессы образования коллагена и эластина генерируются акустические микротоки изменяется структура воды	изменяет диффузные процессы изменяет скорость биохимических реакций активирует процессы метаболизма уменьшает нервное возбуждение производит антиспастический эффект расширяет просвет кровеносных сосудов ускоряет кровообращение	Ультразвук выступает в роли катализатора биохимических процессов в клетке: ускоряет синтез белка способствует образованию биологически активных веществ повышает дисперсность коллоидов клетки способствует синтезу клеток волокон коллагена и эластина усиливает кровообращение изменяет рН клетки

Действие механического фактора связано с акустическим давлением ультразвуковых волн. В результате чередования зон сжатия и разрежения в тканях возникает вибрационный «микромассаж» на клеточном уровне. Повышается проницаемость клеточных мембран, активизируются внутриклеточные процессы: синтез белка, ферментов, АТФ. Образующиеся под действием ультразвуковых колебаний коллагеновые и эластиновые волокна обладают повышенной, в два раза и более, эластичностью и прочностью по сравнению с «неозвученной» тканью.

Тепловой эффект ультразвука связан с превращением в тканях механической энергии в тепловую. В тканях, содержащих молекулы с большими линейными размерами, из-за значительного поглощения энергии ультразвуковых колебаний происходит повышение температуры до 1оС. Наибольшее количество тепла выделяется не в толще однородных тканей, а на границах раздела тканей с различным акустическим импедансом – богатых коллагеном поверхностных слоях кожи, фасциях, рубцах, связках, синовиальных оболочках, суставных менисках и надкостницах, что повышает эластичность и расширяет диапазон физиологических напряжений (вибротермолиз). Местное расширение сосудов микроциркуляторного русла приводит к увеличению объемного кровотока в тканях с пониженным кровоснабжением (в 2–3 раза), повышению обмена веществ, улучшению эластичности кожи и уменьшению отеков.

Физико-химический фактор является следствием влияния на организм механического и теплового эффектов, оказывает стимулирующее действие на биохимические и биофизические процессы. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии, также способствует синтезу АТФ, нуклеиновых кислот, белков, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов, выполняет функцию катализатора, изменяет значение рН тканей к щелочи, способствует образованию БАВ. Вследствие активации мембранных энзимов и деполимеризации гиалуроновой кислоты происходит уменьшение и рассасывание отеков, снижение компрессии нервных проводников в зоне воздействия. В последующем активируются механизмы неспецифической иммунологической резистенции организма за счет повышения связывания биологически активных веществ (кининов, гистамина) с белками крови и расщепления их ферментами.

Действие всех трех факторов тесно связано и дополняет друг друга. В зоне действия ультразвука улучшается крово- и лимфообращение, ускоряются процессы обмена и регенерации, повышается фагоцитоз, восстанавливается иммунитет. Ультразвук оказывает разволокняющее действие на фиброзную ткань, что дает хороший результат при лечении рубцов, контрактур, фиброзного целлюлита.

Наиболее чувствительна к ультразвуку нервная система. Сложные тканевые и эндокринные изменения в организме под действием ультразвука активно влияют на работу ЦНС. Активизируются окислительно-восстановительные процессы в нейронах, повышается синтез АТФ, улучшается поглощение нервными клетками кислорода и утилизация гликогена, что оказывает нормализующее действие на динамику основных нервных процессов и психастеническое состояние человека. Вышеперечисленные эффекты нивелируют действие ботулотоксина А, способствуя росту дополнительного аксона.

Биологическое действие ультразвука связано с его способностью вызывать обезболивающие, антиспастические, сосудорасширяющие, рассасывающие, противовоспалительные эффекты в тканях. Возможность ультразвука повышать эпителиальную и сосудистую проницаемость определяет форетический эффект.

Ультразвук в эстетической медицине

Ультрафонофорез и его отличия от электрофореза

Ультрафонофорез – это сочетанное воздействие на организм ультразвука и нанесенных на кожу лекарственных и косметических средств, сохраняющих свою структуру и фармакотерапевтическую активность при воздействии механической волны. Введение необходимых веществ в организм при ультрафонофорезе происходит через выводные протоки потовых и сальных желез, осуществляется также чрезклеточный и межклеточный пути проникновения. Причем проникновение форетируемого вещества – глубже (максимально до 6–7 см), чем при электрофорезе (гальванический ток – 1 см, импульсный – до 3 см). Но, в отличие от электрофореза, при ультразвуке не удается накопить в коже лекарственные вещества в достаточной концентрации, и они действуют в течение относительно непродолжительного времени. Несмотря на это, в результате сочетанного действия фонофореза и различных терапевтических эффектов УЗ (механического, теплового, химического) лечебные эффекты потенцируются и оказываются достаточно выраженными. При проведении процедуры вводимое вещество необходимо включить в состав контактной среды, основой для которой могут быть глицерин, ланолин, вазелиновое масло, диметилсульфоксид и др.

К сожалению, далеко не каждое средство можно ввести с помощью ультразвука, так как форетическая активность зависит как от структуры вводимого вещества, так и от степени дисперсности, определяемой размерами молекул и природой растворителя. С усложнением структуры форетическая подвижность значительно снижается. Она максимальна при использовании 5–10% водных растворов вещества. При этом количество вводимого в организм вещества не превышает 1–3% от нанесенного на поверхность кожи и зависит от:

• частоты ультразвука (чем она меньше, тем больше амплитуда индуцируемых колебательных смещений частиц лекарственного вещества);
• интенсивности (форетическая активность усиливается при повышении интенсивности до 0,8 Вт/см2, а при дальнейшем увеличении начинает снижаться);
• продолжительности воздействия (количество форетируемого вещества прямо пропорционально времени воздействия);
• режима генерации ультразвуковой волны (при непрерывном режиме воздействия форетическая способность больше, чем при импульсном);
• методики проведения процедуры (при лабильной методике количество вводимого вещества выше, чем при стабильной).

Кавитация

Кавитация (от лат. сavitas – пустота) – это процесс образования в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация бывает гидродинамической и акустической.

Гидродинамическая кавитация возникает в результате понижения давления в жидкости, которое может быть вызвано увеличением скорости ее движения.

Акустическая кавитация возникает при прохождении акустической волны большой интенсивности через жидкость, и именно этот вид кавитации используется в эстетической медицине.

Кавитационный пузырек может перемещаться из области с низким давлением в область с высоким давлением, при этом меняя свои размеры. Он может пройти несколько периодов увеличения и уменьшения. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек может схлопываться, излучая при этом ударную волну и выделяя большое количество энергии.

Главная задача ультразвуковой (акустической) кавитации в косметологии – борьба с избыточными жировыми отложениями. При этом хочется отметить, что кавитация не является лечением с помощью ультразвука. Ультразвук здесь используется не как метод воздействия, а как физический фактор, который вызывает эффект кавитации в жировой ткани.

Изменяя параметры ультразвуковой волны (частоту и интенсивность), можно получать разные виды кавитации, которые будут оказывать различное влияние на жировую ткань: либо уменьшать количество адипоцитов, либо уменьшать их объем.

Стабильная невзрывная кавитация возникает при интенсивности от 0,8 до 3 Вт/см2, когда стабильное давление различной силы вызывает компрессию адипоцитов, в результате чего происходит распад жировой капли до мелкодисперсного состояния и выведение через поры в клеточной мембране. При этом адипоцит сохраняет свою клеточную структуру, уменьшается только объем жировой капли.

Нестабильная взрывная кавитация возникает при высокой интенсивности колебаний (60 Вт/см2), направленных на небольшую поверхность. При этом наблюдается дробление клеток: они «взрываются».

В косметологии используется методика кавитационной безоперационной липосакции. Сочетание низкочастотного ультразвука (38–41 КГц), низкого давления (0,6 кПа) и определенной плотности потока в жировых клетках вызывает эффект акустической кавитации, при этом образуется максимальной количество пузырьков необходимого размера, которые, увеличиваясь в размерах, эмульгируют жир и вытесняют его из адипоцитов. При схлопывании пузырьков внутри жировой клетки происходит гидродинамический толчок, своего рода микровзрыв с выделением большого количества энергии. Эти микровзрывы повреждают клеточные мембраны адипоцитов. При этом повреждаются в первую очередь мембраны наиболее наполненных жиром клеток, вследствие их наибольшего напряжения. Высвободившиеся триглицериды выводятся из межклеточного пространства путем естественных метаболических процессов. 90% продуктов распада выводится через лимфатическую систему и 10% абсорбируется в кровеносное русло, где в результате реакции триглицериды преобразуются в молекулы глюкозы.

В то же время другие клетки и ткани (мышечные фибриллы, клетки эпидермиса, эндотелия сосудов и т. д.) под действием кавитации не повреждаются, так как являются относительно прочными и имеют достаточный коэффициент эластичности. Было проведено множество научных исследований, которые доказали эффективность и безопасность кавитации.

HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) – фокусированный ультразвук

Одно из наиболее интересных новых направлений медицинского ультразвука связано с возможностью дистанционного разрушения биологической ткани за счет поглощения в ней мощной фокусированной акустической волны.

Поскольку ультразвук можно фокусировать так же, как свет, достижимо добиться локального нагрева ткани внутри тела человека до температуры, достаточной для свертывания крови или некроза мягких тканей, без перегрева тканей на пути к фокусу. Фокусирование ультразвука может быть достигнуто несколькими способами. 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. Хотя таким способом можно получить нагреваемую область с четко очерченными границами, регулировать глубину зоны поражения в этом случае оказывается непросто. 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. В современных косметологических аппаратах используются оба способа фокусировки. С помощью фокусировки можно достичь в небольшом объеме жировой ткани мощности несколько десятков ватт.

По пути прохождения ультразвуковой волны до фокальной зоны сохраняются все свойства линейного ультразвука. Особенно важно дефиброзирующее действие ультразвука на соединительнотканные структуры в гиподерме, деполимеризация триглицеридов и повышение их текучести. За счет явления стабильной кавитации значительно ускоряется липолиз и выведение продуктов распада жировой капли за пределы адипоцитов.

В зоне фокусировки происходит сложение ультразвуковых волн (в разы увеличиваются тепловой и механический эффекты), что приводит к тепловому разрушению белковых структур и механическому повреждению клеточной мембраны. Это дает возможность использовать мощный ультразвук, к примеру, для разрушения опухолей, жировой ткани, для остановки внутренних кровотечений неинвазивно, то есть без обычного хирургического вмешательства. В косметологии фокусированный ультразвук применяется для работы в области локальных жировых отложений и для лечения целлюлита.

Эти механизмы, их вклад в разрушение ткани, возможность их использования для контроля за процедурой HIFU в режиме реального времени до конца не поняты и представляют собой интересный объект физических исследования как в теории, так и экспериментально.

***

Итак, мы проанализировали основные характеристики ультразвука и способы его использования в эстетической медицине. А напоследок составили таблицу 3, в которой окончательно систематизировали все данные, о которых шла речь в статье.

Табл. 3. Важнейшие параметры ультразвука и их использование в эстетической медицине

Частота	Форма распространения УЗ-волны	Глубина	Эффекты в тканях
24–44 кГц	Поперечная	0,2 см	Ультразвуковой пилинг
880 МГц	Продольная	Жировая ткань – 6,8 см Мышечная ткань – 3,6 см Средняя глубина – 3–7 см	Низкая интенсивность: противовоспалительный обезболивающий стимулирующий антиспастический ультрафонофорез Средняя и высокая интенсивность: липолитический лифтинговый дефиброзирующий сосудорасширяющий ультрафонофорез
1,5–2,4 МГц		2,5–1,5 см
3 мГц		1 см
	Фокусированная	1 см	Разрушение клеточных мембран

---

Источник: Les Nouvelles Esthetiques Украина, №3 (85), 2014, стр.54-60