Разработка математической модели для расчета параметров электрических схем замещения кожи человека при ультразвуковых воздействиях



страница1/2
Дата09.08.2019
Размер0.66 Mb.
#127278
ТипКурсовая
  1   2


Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана

Курсовая работа
по теме: «Разработка математической модели для расчета параметров электрических схем замещения кожи человека при

ультразвуковых воздействиях»

Выполнила ст. гр. БМТ1-91

Мельникова Д. С.

Руководитель Квашнин С.Е.

Консультант Косоруков А.Е.

Москва, 2007

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

(МГТУ им. Н.Э.Баумана) Научно-учебный комплекс радиоэлектронной, лазерной и медицинской техники

Факультет «Биомедицинская техника» Кафедра «Биомедицинские технические системы» (БМТ2)

Задание на курсовую работу

по курсу «Медицинские электроакустические системы»

студент группы БМТ1-91

Мельникова Дина Сергеевна
Разработка математической модели для расчета параметров

электрических схем замещения кожи человека при

ультразвуковых воздействиях
1. Обзор современных ультразвуковых терапевтических технологий.

2. Анализ биофизических механизмов воздействия на биологические ткани.

3. Разработка математической модели для расчета параметров электрических схем замещения кожи человека при ультразвуковых воздействиях.

4. Разработка алгоритма расчета параметров электрических схем замещения кожи человека численным методом.

5. Теоретические исследования влияния помех на точность вычисления параметров электрических схем замещения кожи человека.

Содержание



Обзор современных ультразвуковых терапевтических технологий……………………

4

Общая неспецифическая стимуляция методом ультразвуковой аутогемотерапии………...

4

Лечение заболеваний опорно-двигательного аппарата………………………………………

5

Ультразвуковая терапия поражений покровных тканей……………………………………...

6

Ультразвук в офтальмологии…………………………………………………………………...

7

Влияние ультразвука на внутренние органы……………………………………………….....

8

Лечение опухолей…………………………………………………………………………….....

8

Анализ биофизических механизмов воздействия на биологические ткани……………

9

Пороги биологического действия ультразвука………………………………………………..

9

Ультразвуковые эффекты в мягких тканях……………………………………………............

10

Действие ультразвука на кровь…………………………………………………………….......

12

Клеточные мембраны в механизме биологического действия ультразвука…………….......

13

Разработка математической модели для расчета параметров электрических схем замещения кожи человека при ультразвуковых воздействиях…………………............

14

Разработка алгоритма расчета параметров электрических схем замещения кожи человека численным методом………………………………………………………..............

17

Теоретические исследования влияния помех на точность вычисления параметров электрических схем замещения кожи человека……………………………………...........

22

Список использованной литературы…………………………………………………..........

31


Обзор современных ультразвуковых терапевтических технологий.

Применение ультразвука существенно обогащает арсенал физиотерапевтических методов. Используя ультразвук, возможно не только успешно бороться с некоторыми болезнями, но, воздействуя на живой организм, повышать его жизнеспособность и сопротивляемость неблагоприятным внешним условиям. Разработаны ультразвуковые методы, позволяющие сделать хирургические манипуляции практически бескровными. Но ультразвуковые методы не лишены недостатков, препятствующих их широкому применению в медицинской практике. Применение ультразвука требует дозировки. При слишком низких интенсивностях и коротком времени воздействия ультразвук может оказаться неэффективным, а интенсивное и длительное воздействие может обусловить весьма существенные и не обязательно желательные изменения в организме.



Общая неспецифическая стимуляция методом ультразвуковой аутогемотерапии.

При некоторых вяло протекающих инфекционных и других забо­леваниях весьма полезной оказывается проводимая с лечебной целью аутогемотерапиявнутримышечное или внутривенное введение больному его собственной крови. Такая процедура приводит, как правило, к улучшению обменных процессов и повышению защитных сил организма. Эффективность аутогемотерапии можно повысить, если перед вливанием кровь облучить ультрафиолетом, осторожно взболтать или подвергнуть действию ультразвука низких интенсивностей. При этом отмечается значительное улучшение общего состояния организма, по­вышение его жизнеспособности и сопротивляемости неблагоприят­ным изменениям внешней среды.

Механизм аутогемотерапии достаточно ясен. При введении собствен­ной крови в мышцу она оказывается не там, где ей следует быть, а после возвращения в собственное кровеносное русло после какого-либо воздей­ствия - не такой, какой она должна быть в норме. В обоих случаях орга­низм реагирует на эти ситуации как на незнакомый сигнал о возможных дальнейших изменениях в окружающей среде или в самом организме и, не обладая стандартной программой реагирования на этот сигнал, активизи­рует защитные системы, готовясь (на всякий случай) к худшему.

Основываясь на этом механизме, можно значительно упро­стить операцию аутогемотерапии, воздействуя ультразвуком на кровь через покровные ткани непосредственно в кровеносном рус­ле организма.

Сравнительный анализ изменений в крови кроликов и некото­рых животных после обычной аутогемотерапии и после воздейст­вия ультразвуком (0,88 МГц; 0,3...0,6 Вт/см2; 3...5 мин) - ультразву­ковой аутогемотерапии - свидетельствует о качественно одинако­вой реакции со стороны организма на оба воздействия. Как обычная, так и ультразвуковая аутогемотерапия приводят к измене­ниям кислотной, осмотической и ультразвуковой гемолитической стойкости мембран эритроцитов (рисунок 1.1), хорошо кореллирующей с общей резистентностью организма и зависящей от содержа­ния холестерина в сыворотке крови (рисунок 1.2). Испытывают изме­нения также фагоцитоз и активность лизоцима, характеризующие естественную резистентность организма.

Рисунок 1.1. Изменение механической резистентности эритроцитов кролика (по времени полного гемолиза): 1-до воздействия; II-немедленно после воздействия; III-через 4 ч после воздействия; IV - через 24 ч после воздействия; 1 - после ультразвуковой аутогемотерапии; 2 - после обычной аутогемотерапии; 3 – контроль.


Рисунок 1.2. Изменение содержания холестерина в сыворотке крови кроликов после аутогемотерапии: I - до воздействия; II - немедленно после воздействия; III - через 2 ч после воздействия; IV - через 4 ч после воздействия; V - через 24 ч после воздействия; 1 - ультразвуковая гемотерапия (0,3 Вт/см2 ); 2 - ультразвуковая гемотерапия (0,5 Вт/см2 ); 3 – обычная аутогемотерапия; 4 – контроль.



Лечение заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Ультразвуковая физиотерапия весьма эффективна при лечении острых синовитов, тендовагинитов, периоститов, фиброзных и осцифицирущих периоститов. Воздействие одним лишь ультразвуком на очаг заболевания (ме­стное воздействие) при острых и хронических асептических процес­сах, касающихся суставов, сухожилий и их влагалищ, связок и других звеньев конечностей, способствует быстрому восстановлению их опорно-двигательной функции. Обычно выздоровление наступает по­сле 6-7 процедур, по одной ежедневно или через день. При хрониче­ских пролиферативных процессах курс лечения увеличивается до 11-12 процедур. Если клинические проявления заболевания не про­ходят, то курс лечения необходимо повторить через 1-2 месяца.

Благодаря ярко выраженному обезболивающему действию, ульт­развук особенно эффективен при лечении неосложненных вывихов голеностопного и плечевого суставов. При острых синовитах, тендовагинитах и других заболеваниях весьма эффективен фонофорез гидро­кортизона или дексазона, обеспечивающий одновременное действие ультразвука и лекарственного препарата. Фонофорезу - введению лекарственного препарата сквозь непо­врежденную кожу благодаря силам, действующим в акустическом по­ле, - способствует также обусловленное ультразвуком повышение проницаемости клеточных мембран, причем толщина слоя ткани, со­стоящей из клеток, мембраны которых обладают повышенной прони­цаемостью, пропорциональна интенсивности ультразвука. Повышенная проницаемость сохраняется в течение полутора-двух часов, одна­ко наибольшая проницаемость наблюдается в течение первых 25 мин после воздействия ультразвуком. Поэтому в ряде случаев после ульт­развукового воздействия весьма эффективен электрофорез. При та­кой последовательности электрофоретически введенные лекарствен­ные вещества локализуются не только в межклеточном пространстве, но и попадают во внутренний объем клетки.

В физиотерапии опорно-двигательного аппарата лучше всего дей­ствует, не вызывая отрицательных последствий и быстро приводя к выздоровлению, ультразвук с интенсивностями в интервале 0,1...0,4 Вт/см2. Под влиянием низких интенсивностей ультразвука, стимулирующих обменные процессы, снижается экссудация, разрых­ляется фиброзная ткань, начинается декальцификация сформировав­шихся и формирующихся остеофитов и экзостозов. Увеличение ин­тенсивности и длительности воздействия приводит к разрежению кортикального слоя кости в зоне воздействия ультразвука и другим нежелательным последствиям.



Ультразвуковая терапия поражений покровных тканей.

Способность ультразвука ускорять процессы синтеза соедини­тельнотканных и других белков, а также РНК в клетках, его стимули­рующее, противовоспалительное и болеутоляющее действие делают ультразвуковую терапию ран весьма эффективной. Под действием ультразвука (0,88 МГц; 0,5 Вт/см2; 3...5 мин) ра­ны размером 3...5 см в поперечнике заживают на 18-20-й день после их появления. Таким образом, раны заживают на 8-10 дней быстрее, чем раны, кожу вокруг которых ежедневно обеззараживают 70%-ным раствором винного спирта, а поверхность раны смазывают 50%-ным водным раствором глицерина, и на 4-5 дней быстрее, чем раны, края и поверхность которых ежедневно покрывают синтомициновой эмульсией. Следует отметить, что результат комбинированного действия ультразвука с синтомициновой эмульсией не превышает результатов, обеспечиваемых применением одного лишь ультразвука. Очевидно, ультразвуковое воздействие настолько полно реализует резервы орга­низма, что влияние других факторов на этом фоне оказывается незна­чительным.

Заживление послеоперационных ран можно ускорить, используя ультразвук для предварительной подготовки тканей. Дооперационное воздействие ультразвуком, стимулируя защитные процессы, ускоряет послеоперационную регенерацию тканей, заживление операционного разреза, существенно упрочняет формирующийся рубец. Так, на четвертые сутки после операции, проведенной на коже, предварительно обработанной ультразвуком, прочность рубца оказывается более чем на 30 % выше, чем прочность рубца на неподготовленном участке.

Весьма целесообразно использовать ультразвук и для лечения воспалительных инфильтратов, нередко возникающих в качестве по­слеоперационных осложнений. После воздействия ультразвуком с ин­тенсивностью 0,2...0,6 Вт/см2 воспалительные явления обычно стиха­ют после 4-5 процедур, а после 6-9 процедур инфильтраты чаще всего рассасываются. При ежедневном лечении ультразвуком площадь ра­ны уменьшается в 1,5-2 раза быстрее, патогенные микробы исчезают из раны на 2-3 дня раньше обычного, а рубец формируется без келоидизации. В целом ультразвуковое облучение ускоряет заживление ос­ложненных операционных ран на 2-3 дня.

Фурункулез - острое гнойно-некротическое воспаление волося­ных мешочков, связанных с ними сальных желез и окружающей их клетчатки, вызывается стафилококком и возникает в местах патоген­ного заражения, а также механического или химического раздражения кожи. Еже­дневные десятиминутные воздействия ультразвуком (0,88 МГц; 0,2... 1 Вт/см2) непосредственно на поверхность фурункулов через вод­но-глицериновую контактную среду значительно ускоряют лечение. Уже после первой процедуры уменьшается болезненность пораженно­го участка, после второй или третьей снижается воспаление, боли пол­ностью исчезают, фурункулы уменьшаются в размерах. На пятый-шестой день большинство фурункулов вскрывается, из них выде­ляются гнойный экссудат и гнойные пробки. Образовавшиеся на месте фурункулов язвочки в последующие 5-6 дней полностью зажи­вают. В некоторых случаях фурункулы не вскрываются: после 10-12 процедур инфильтраты рассасываются и на их месте под кожей обна­руживаются лишь безболезненные уплотнения. Следует отметить, что использование в качестве контактной сре­ды вместо водно-глицериновой смеси тетрациклиновой мази лишь не­значительно ускоряет процесс лечения. Очевидно, в обоих случаях эффект обусловлен терапевтическим действием ультразвука, а не дей­ствием веществ, содержащихся в среде, обеспечивающей акустиче­ский контакт между фурункулом и излучателем ультразвуковых волн. При абсцессах ультразвуковая терапия также дает хорошие ре­зультаты. Используются те же методы воздействия и параметры ульт­развука, что и при лечении фурункулеза. Применение ультразвука особенно эффективно при лечении абсцессов, расположенных неглу­боко под поверхностью тела.

Ультразвук в офтальмологии.

Ультразвук с интенсивностью, превышающей 1 Вт/см2, вызывает нежелательные явления в структуре глаза - помутнение стекловидно­го тела, образование катаракты, слущивание эпителия на роговице, отек и некроз передних слоев стромы и пр. Поэтому для лечения бо­лезней глаз используют ультразвук с интенсивностью 0,2...0,4 Вт/см2, а время воздействия обычно не превышает 5 мин. Ультразвук в таком режиме заметно активизирует обменные процессы, а также увеличи­вает проницаемость тканей глаза для лекарственных препаратов. В связи с этим на практике, как правило, используют фонофорез.

В лечении глазных болезней используется и способность ультразвука стимулировать обменные процессы, ускорять биосинтез соединительнотканных белков и ряда других веществ в клетке, акти­визировать восстановительные процессы в поврежденных тканях.

Весьма эффективен ультразвук (0,88 МГц; 0,3 Вт/см2; 5 мин) при лечении тяжелых проникающих ран роговицы и склеры. Под его влиянием ускоряется рассасывание фибрина и лейкоцитарной ин­фильтрации, уменьшается отек стромы роговицы. В результате обра­зуется тонкий, почти бессосудистый рубец, похожий по своему строе­нию на строму роговицы.

Для воздействия ультразвуком на глаза человека в на­стоящее время используется несколько разных способов. Излучатели небольшого размера (диаметром от 0,5 до 1 см) позволяют облучать ультразвуком ограниченный участок глаза при непосредственном кон­такте с ним. Такой метод чаще всего используют при лечении рубцов, царапин и ран кожных покровов век и кожи вокруг глаз. Для воздейст­вия на сам глаз применяют непрямой контактный метод. В качестве прокладки, передающей акустическую энергию, используют заполнен­ный водой мешочек из тонкой резины, принимающий форму глаза и излучателя. Однако при этом теряется 50...60 % ультразвуковой энер­гии и становится затруднительной точная дозировка воздействия. Фонофорез проводят, используя специальную ванночку-векорасширитель, которую устанавливают на предварительно анестезирован­ное глазное яблоко. Края ванночки заводят под веки, а в широкую часть наливают лекарственный раствор, который одновременно ис­пользуется в качестве среды, обеспечивающей акустический контакт. При стойких хронических патологических изменениях различных структур глаза ультразвуковая терапия малоэффективна.

Влияние ультразвука на внутренние органы.

Ультразвук в ряде случаев весьма эффективен при лечении болез­ней внутренних органов. При ранних воспалительных поражениях печени ультразвук (0,88 МГц; 0,3...0,6 Вт/см2; 5...10 мин) оказывает нормализующее и про­тивовоспалительное действие. В зрелом возрасте, особенно при гипоки­незии и гепатозе, это действие проявляется значительно слабее. Ультразвуковое воздействие (0,2...0,4 Вт/см2) на область желчно­го пузыря усиливает его моторную активность. При хронических хо­лециститах после лечения ультразвуком уменьшаются боли, исчезают диспептические явления, значительно уменьшаются или даже полно­стью восстанавливаются размеры печени. Ультразвуковое воздействие (0,5...0,85 Вт/см2) на область желуд­ка или соответствующую паравертебральную зону нормализует его моторную, эвакуаторную и секреторную функции. При гастрите ультразвук нормализует всасывательную функцию в среднем на 32 дня, а секреторную - на 37 дней раньше, чем в контроле. Эффективен ультразвук (0,2...0,6 Вт/см2) и при язвенной болезни.

Под влиянием низкочастотного ультразвука (44...65 кГц) иммун­ная система испытывает существенные изменения. Воздействие на об­ласть селезенки ультразвуковым инструментом с амплитудой 0,3...З мкм в течение минуты, повышая устойчивость иммунной систе­мы к инфекциям, обеспечивает выживание, по крайней мере, 20 % жи­вотных в эксперименте после их заражения высоковирулентным штаммом коклюшных бактерий. Интенсивность иммуногенеза в ответ на введение в организм анти­гена возрастает, если предварительно - за 24...48 ч - подвергнуть жи­вотное ультразвуковому воздействию. Интенсификация иммуногенеза, очевидно, обусловлена общей реакцией организма на внешнее неспеци­фическое воздействие и отчетливо проявляется в повышении содержа­ния гемолизинов и гемагглютининов в крови, а также повышении ко­личества антител и розеткообразующих клеток в селезенке.

Лечение опухолей.

Ультразвук низких интенсивностей (0,4...2,5 Вт/см2) редко приме­няется в онкологии. С одной стороны, он стимулирует иммунную сис­тему, что в ряде случаев приводит к рассасыванию опухолей, в том чис­ле и тех, которые не подвергались непосредственному воздействию ультразвуком, а с другой - интенсифицирует обменные процессы, уско­ряя разрастание опухолевых тканей. Такая двойственность обусловли­вает определенную степень непредсказуемости, что и препятствует применению ультразвука низкой интенсивности в онкологии.

Ультразвук высоких интенсивностей (1000 Вт/см2) способен пол­ностью разрушить опухолевую ткань. При этом ввиду фокусирования область, где интенсивность ультразвука превышает порог разрушения, может быть весьма ограничена, что позволяет воздействовать на опу­холь или ее фрагменты, не нарушая целостности окружающих здоро­вых тканей. Однако после разрушения новообразования весьма вели­ка вероятность гибели организма от интоксикации продуктами распа­да опухоли, а разрушать ее по частям нельзя, так как оставшиеся фрагменты начинают бурно разрастаться, увеличивается и вероят­ность метастазирования.

Эффективность ультразвуковых методов в онкологии можно су­щественно повысить, комбинируя ультразвук с другими видами воз­действия. Значительно усиливает ультразвук низких интенсивностей дейст­вие противоопухолевых препаратов на клетки. Однако при введении в организм внутривенно, внутримы­шечно или перорально концентрация противоопухолевых препаратов в опухолях нередко оказывается ниже, чем в здоровых тканях. Снижать количество вводимого в организм лекарства тоже нель­зя, так как в низких концентрациях многие противоопухолевые пре­параты стимулируют злокачественный рост. Эти препараты вовсе не безвредны для организма и так же, как и в опухолях, подавляют или останавливают рост клеток в здоровых тканях.

При поверхностном расположении опухоли ультразвук может быть использован для фонофоретического введения противоопухоле­вых препаратов непосредственно в пораженную ткань. При этом он не только способствует накоплению препарата в опухоли, но и облегчает его проникновение внутрь клеток, поскольку увеличивает проницае­мость клеточных мембран. Кроме того, благодаря синергизму ультра­звука и противоопухолевых препаратов существенно интенсифициру­ется их действие.

Метод чрезкожного фонофореза противоопухолевых препаратов, очевидно, непригоден для лечения новообразований, лежащих в глу­бине тканей. В этом случае для доставки препарата к опухоли можно использовать липосомы. Доставленные током кро­ви к прогретой ультразвуком опухоли липосомы именно здесь высво­бодят противоопухолевый препарат, который благодаря повышенной в результате ультразвукового воздействия проницаемости клеточных мембран будет депонироваться, в основном, в опухолевой ткани. Аналогичный процесс, но значительно менее выраженный, на­блюдается и при введении лекарственных препаратов непосредствен­но в кровь.

Сочетание ионизирующих излучений с ультразвуком низких интен­сивностей, а также ультразвуком, обеспечивающим гипертермию опухо­лей, значительно повышает терапевтическую эффективность радиотера­пии. Синергизм этих воздействий позволяет при тех же результатах в несколько раз снизить дозу лучевого воздействия и та­ким образом избежать сосудистых, воспалительных и других осложне­ний, наблюдающихся при традиционных способах радиотерапии.

Анализ биофизических механизмов воздействия на биологические ткани.

Пороги биологического действия ультразвука.

Возмущения, не превышающие определенной (пороговой) вели­чины, не приводят к видимым последствиям в биологической системе, потому что компенсируются специальными механизмами. Очевидно, что во всех случаях первичная реакция биологических систем на ультразвуковое воздействие происходит на клеточном уровне. Пороговой для биологического действия ультразвука является та­кая его интенсивность (при прочих неизменных его параметрах - час­тоте, времени и режиме воздействия), ниже которой не меняется про­ницаемость клеточных мембран, а следовательно, не начинаются регуляторные и репаративные процессы в клетках, направленные на ликвидацию последствий, вызванных указанными изменениями.

Судя по данным ряда исследователей, пороговая интенсивность не превышает 10 мВт/см2. Очевидно, что данный порог и является ис­тинным порогом биологического действия ультразвука. Оценить его проще всего по электропроводности тканей, изменения которых мож­но наблюдать при интенсивностях ультразвука более 10 мВт/см2. В некотором интервале более высоких интенсивностей ультра­звука при относительно кратковременном воздействии (до 103 с) возникающие в клеточных мембранах нарушения, как правило, не приводят к видимым изменениям в структуре и функционировании клеток и тканей. Это обусловлено развитием регуляционных про­цессов, компенсирующих последствия повышения проницаемости мембран непосредственно во время ультразвукового облучения. Верхняя граница интервала интенсивностей, превышение которой приводит к появлению не репарируемых при ультразвуковом воз­действии изменений, может быть принята в качестве еще одного, регистрируемого, порога биологического действия ультразвука. Этот порог соответствует такому значению интенсивности ультра­звука, выше которого могут наблюдаться морфологические, элек­трофизические, физиологические и другие изменения в биосистемах, облучаемых ультразвуком в течение 1... 103 с, как в процессе воздействия, так и после него.

Значение регистрируемого порога зависит от природы регистрируе­мого параметра, состояния биологической системы, длительности воз­действия. Так, небольшая деполяризация мембран клеток ацетабулярии наблюдается при интенсивности ультразвука 0,1 Вт/см2, а потенциал действия возникает при интенсивностях, превышающих 0,2 Вт/см2; ус­тойчивость к ультразвуку клеток дрожжей, находящихся в среде без глю­козы, значительно выше, чем в среде, содержащей глюкозу. Регистрируемому порогу чаще всего соответствует интенсивность ультразвука 0,1 Вт/см2 (0,8...2 МГц; 1...103 с). При интенсивностях, превышающих 0,1 Вт/см2, наряду с увеличением влияния микропото­ков заметную роль начинают играть и другие факторы - в основном, выделяющаяся при ультразвуковом воздействии теплота и вибропо­тенциалы. В определенном интервале интенсивностей наблюдаемые биологические эффекты, возникающие при ультразвуковом воздейст­вии, обратимы. Верхняя граница этого интервала может быть принята в качестве третьего порога. Ее превышение приводит к выраженным деструктивным изменениям, на фоне которых репаративные процес­сы в клетках невозможно обнаружить.

Все три порога достаточно условны и зависят от особенностей строения клеточных мембран, специализации клеток и состояния их репаративных систем, а также от свойств окружающей клетку среды. Какой из этих порогов принять за порог биологического действия ультразвука зависит от того, что принимается за результат действия ультразвука на биологическую систему. Если результатом считать стимулирование репаративных реак­ций клетки в результате незначительного нарушения микроокруже­ния клетки и увеличения проницаемости ее мембран, то порог биоло­гического действия ультразвука весьма мал (10 мВт/см2). Если результатом действия ультразвука считать биологически зна­чимые эффекты - регистрируемые изменения, наблюдаемые во время и после ультразвуковой обработки, то, как следует из анализа данных научной литературы, порог примерно равен 0,1 Вт/см2, хотя величина его и зависит от длительности облучения. Если время воздействия меньше 200 с, то для получения регистрируемого биологического эф­фекта требуются более высокие интенсивности ультразвука.

Ультразвуковые эффекты в мягких тканях.

Ультразвук, используемый в терапевтических целях (0,7...3 МГц; 0Д...2 Вт/см2; 3...10 мин), вызывает в тканях организма разнообразные изменения. При относительно низких интенсивностях, лишь ненамного превы­шающих пороги чувствительности к ультразвуку для конкретных тка­ней, наблюдается ускорение обменных процессов и стимулирование за­щитных механизмов. Так, ультразвук (1МГц; 0,1 Вт/см2; 5 мин), исполь­зуемый 3 раза в неделю, ускоряет процесс регенерации ткани уха кролика после хирургического вмешательства. Параллельно в регенери­рующей ткани ускоряется процесс связывания, например, меченого ти-мидина. Обмен катехоламинов в организме также заметно возрастает. При этих же параметрах ультразвук влияет на различные биохими­ческие процессы в организме. Ультразвук (1 МГц; 0,2 Вт/см2; 5...10 мин) вызывает изменения окислительно-восстановительного потенциала тканей, уменьшение содержания аскорбиновой кислоты, ускорение биосинтеза порфиринов и тиронинов, увеличение содержания нуклеи­новых кислот в тканях, изменение активности ферментов, заметные из­менения содержания макроэргических соединений - АТФ, фосфокреатина, гликогена, а также микро- и макроэлементов. Более высокие интенсивности ультразвука (0,3 Вт/см2) приводят к нарушениям структуры и ультраструктуры облучаемых тканей.

Особое внимание уделено исследователями изменению электро­физических свойств кожных покровов под действием ультразвука. Та­кое внимание обусловлено практической необходимостью изучить механизмы фонофореза лекарственных веществ через кожу и, по воз­можности, оптимизировать этот процесс. Исследования показали, что под влиянием ультразвука (0,9 МГц; 0,1...2 Вт/см2; 5...15 мин) повышается проницаемость как изолирован­ной кожи, так и кожи в составе организма. В последнем случае эффект значительно выше и зависит от интенсивности ультразвука и природы исследуемых веществ. Наиболее эффективен ультразвук для увеличения проницаемости покровных тканей по отношению к ионам Na, К, Li, C1, Вг и пр. По отношению к сложным ионам и высокомолекулярным соединениям эф­фект значительно ниже. Однако во всех случаях проницаемость кожи увеличивается с увеличением интенсивности ультразвука до 1 Вт/см2. При более высоких интенсивностях ультразвук заметно повышает проницаемость кожи для Na, К, Са, С1, практически не влияя на ско­рость переноса ионов сложной структуры. Полученные эффекты связывают с изменением морфологических особенностей кожного покрова, вызванным ультразвуковым облучени­ем, и отмечают разрыхление эпидермиса, увеличение количества актив­ных потовых и сальных желез, а также увеличение диаметра выводных протоков кожных желез в 2-4 раза. Данные многих авторов, в основ­ном, совпадают с приведенными выше, однако имеются сведения, что предварительное облучение ультразвуком (0,8 МГц) в интервале интенсивностей 0,2... 1 Вт/см2 понижает скорость электрофореза адрена­лина и ацетилхолина через неповрежденную кожу, тогда как ультразвук более высоких интенсивностей повышает ее. Ультразвук (0,8 МГц; 0,2... 1 Вт/см2) обратимо ускоряет как пассивный, так и активный транс­порт ионов Na, К, Са через кожу лягушки. Пороги эффекта лежат в об­ласти 0,2 Вт/см2. Однако если ускорение пассивного транспорта начи­нается сразу после включения ультразвука, изменения в скорости ак­тивного транспорта фиксируются только через 3...4 мин.

Наряду с проницаемостью изменяются и электрические свойст­ва кожи. Уже при интенсивности ультразвука 0,2 Вт/см2 (0,9 МГц) регист­рируют относительные изменения трансмембранного потенциала изо­лированной кожи лягушки. С увеличением интенсивности ультразву­ка эта величина возрастает с 0,01 до 0,4 при интенсивности 1 Вт/см2. При интенсивностях менее 2 Вт/см2 потенциал кожи снижается после включения ультразвука, а затем восстанавливается до исходных зна­чений. При более высоких значениях интенсивности вторая фаза от­сутствует, что свидетельствует о необратимых изменениях в коже. Модулирование ультразвука усиливает эффект на 15...20 % при часто­тах модуляции 10...20 и 200 Гц. Если в среду, омывающую кожу, добавлен цианистый калий, пре­кращающий обмен веществ, то никакого изменения потенциалов под действием ультразвука не происходит. Фокусированный ультразвук (1 МГц, 1...100 Вт/см2) в условиях хо­рошего теплообмена и отсутствия кавитации вызывает обратимое уменьшение потенциала изолированной кожи лягушки и пропорцио­нальное интенсивности ультразвука возрастание тока короткого замы­кания. С увеличением длительности облучения ток короткого замыка­ния постоянно увеличивается, в то время как изменения мембранного потенциала приходятся на первые 0,5 с облучения и в дальнейшем ос­таются на новом стационарном уровне. Совокупность приведенных данных свидетельствует о существен­ной роли клеточных мембран в формировании эффекта изменения электрических свойств тканей в ответ на ультразвуковое воздействие.

Под действи­ем ультразвука изменяются электропроводимость и коэффициент по­ляризации тканей, так как удельное сопротивление клеточных мем­бран обратно пропорционально их проницаемости (которая также изменяется) по отношению к ионам, если ионный состав среды остается неизменным.

Сопротивление биологических тканей электрическому току можно приближенно оценить, пользуясь известной формулой Велика-Горина:



где p1, р2, р3 - сопротивление межклеточной жидкости, мембраны и внутриклеточного содержимого соответственно;

Ф - величина, равная отношению суммарного объема клеток к объему всей ткани;

f- геометрический фактор, для сферических клеток f= 1,5;



а - диаметр клетки.

Поскольку для большинства мягких биологи­ческих тканей Ф ≈ 1 ввиду того, что объем межклеточного простран­ства в них весьма мал по сравнению с общим объемом клеток, то урав­нение существенно упрощается и принимает следующий вид:



Очевидно, большая часть эффекта уменьшения сопротивления биологических тканей под действием ультразвука обусловлена увели­чением проводимости мембран, так как относительно небольшие ко­личества перекиси водорода, азотной и азотистой кислот, образую­щиеся в жидких средах при их обработке ультразвуком низких интенсивностей, не могут изменить проводимость клеточного содержимого и межклеточной среды.

Уменьшение электросопро­тивления под действием ультра­звука наблюдается, к примеру, на портняжной мышце лягушки. Импеданс ткани уменьшается во время ульт­развукового облучения мышцы по закону, близкому к экспоненци­альному (рисунок 2.1), и стремится к одному и тому же значению неза­висимо от интенсивности ультразвука. Чем выше интенсивность, тем быстрее сопротивление ткани дос­тигает минимальных значений. Активное сопротивление ткани - ли­нейная функция интенсивности в интервале 0.2...2 Вт/см2. Импеданс - линейная функция интенсивности лишь в интервале 0,2... 1 Вт/см2.

Рисунок 2.1. Относительное измене­ние электропроводности ткани в зависимости от интенсивности ультразвукового воздействия.

Параллельно с изменением электропроводности тканей изменяет­ся и коэффициент их поляризации:

где Х10 - комплексное сопротивление ткани, измеренное на частоте 10 кГц;

Х1000 - комплексное сопротивление ткани, измеренное на частоте 1000 кГц.

Связанный со способностью клеточных мембран разделять ионы коэффициент поляризации уменьшается при ультразвуковом облуче­нии тканей, свидетельствуя о деполяризации мембран.



Действие ультразвука на кровь.

Клетки крови в разбавленных суспензиях весьма чувствительны к ультразвуковому воздействию и начинают разрушаться при интен­сивности 0,3 Вт/см2. Повышение концентрации клеток в суспензии замет­но снижает скорость разрушения клеток под действием ультразвука, но, по-видимому, и в цельной крови вероятность появления пульси­рующих газовых пузырьков не равна нулю, и, следовательно, не ис­ключена возможность разрушения клеток.

Оставшиеся целыми клетки крови также могут испытывать сущест­венные изменения при ультразвуковом воздействии. Так, акустические потоки, наблюдавшиеся визуально в крови полупрозрачных тропиче­ских рыб, способны смыть макромолекулы с поверхности клеточных мембран, а вибропотенциалы, которые, судя по расчетам, достигают в крови величин, сравнимых с потенциалами клеток, могут изменить их электрические характеристики. В результате изменится проницаемость клеточных мембран, что обусловит, например, высвобождение аденозиндифосфата (АДФ) из эритроцитов, а это, в свою очередь, приведет к аг­регации тромбоцитов.

Появление в кровяном русле клеток с измененными при ультра­звуковом воздействии свойствами довольно быстро отразится на функционировании систем, контролирующих состав крови, так как, разнося клетки по всему организму, кровь как бы делокализует это воздействие. Если действовать ультразвуком (0,1...1 Вт/см2; 0,88 МГц) на краевую вену уха кролика, то за 5 мин воздействию подвергнется практически вся кровь. Известно, что объем крови в организме кроли­ка массой 2,5 кг не превышает 150 см3. Сердце кролика в течение ми­нуты перекачивает 600...700 см3 крови. Следовательно, в течение вре­мени воздействия ультразвуком кровь несколько раз прокачивается через область, облучаемую ультразвуком. Результаты такого воздействия весьма чувствительны для систем крови. Содержание гемоглобина, концентрация эритроцитов, ско­рость их оседания, вязкость и свертываемость крови заметно меняют­ся уже в процессе ультразвукового облучения. Эти изменения в пер­вом приближении пропорциональны интенсивности ультразвука. По­сле ультразвукового облучения крови исследованные параметры с течением времени возвращаются к исходным значениям. Время ре­лаксации этих параметров увеличивается пропорционально величине изменений, вызванных ультразвуком, и, очевидно, зависит от состоя­ния регулирующих систем. При малых изменениях параметров, характеризующих кровь, они довольно быстро возвращаются к исходным значениям по закону, близкому к экспоненциальному. Если эти изменения выходят за опре­деленный предел, то наблюдается явление «перерегулирования», и исследуемый параметр возвращается к исходному уровню, совершая относительно него несколько затухающих колебаний.

Содержание гемоглобина в крови заметно меняется под влиянием ультразвука и быстрее остальных параметров возвращается к норме. Следом за содержанием гемоглобина возвращаются к исходным значе­ниям скорость свертывания крови и скорость оседания эритроцитов. Вязкость крови и концентрация эритроцитов позже всех возвращаются к норме, совершая затухающие колебания относительно исходных зна­чений, если интенсивность ультразвука превышает 0.6...1 Вт/см2. При более высоких интенсивностях ультразвука (1,5...3 Вт/см2) изменения в крови наблюдаются в течение многих часов и даже суток. Отмечается фазный характер изменений - лейкоцитоз сменяется лейкопенией, эозинопения переходит в эозинофилию.

Сравнительные исследования, проведенные на кроликах разных пород, показали, что, несмотря на некоторые различия, реакция всех животных на ультразвуковое воздействие, судя по изменениям в кро­ви, имеет общий характер. Качественно сходные изменения в биохимических и гематологи­ческих показателях наблюдали и в крови мышей, подвергшихся дей­ствию ультразвука (2 МГц; Вт/см2; 200 с). Первичными, запускающи­ми процессы регуляции при ультразвуковом воздействии на кровь мо­гут быть эффекты, связанные с разрушением форменных элементов, с изменением структуры и свойств их поверхностей. Так, сокращение времени свертывания крови, по-видимому, вызвано увеличением агрегационной способности тромбоцитов в ре­зультате выброса АДФ из эритроцитов. Обратимое уменьшение числа эритроцитов в крови может быть обусловлено не только разрушением некоторого их количества, но и действием гемолизата. Гемолизат ингибирует эритропоэз в первое время и активирует его в дальнейшем благодаря увеличению количества эритропоэтина, появление которо­го связано с присутствием в крови продуктов распада эритроцитов. В связи с тем, что под действием ультразвука прежде всего разрушаются наименее стойкие, старые формы эритроцитов, можно предположить, что роль регуляторов эритропоэза принадлежит веществам, накапли­вающимся в эритроцитах в течение их жизни - прежде всего метгемоглобину и окисленным формам мембранных липидов.



Клеточные мембраны в механизме биологического действия ультразвука.

Изменения свойств клеточных мембран играют важную роль в механизме биологического действия ультразвука. Известно, что изменение проницаемости клеточных мембран, приводящее к нарушению ионного состава внутриклеточной среды, обусловливает изменение в скоростях многих ферментативных реак­ций. В результате в клетках возникают репаративные реакции, сопро­вождающиеся новыми реакциями синтеза. Существенное влияние на состояние организма оказывает ультразвук, приводящий к разруше­нию клеток, что особенно отчетливо проявляется в системе крови. Так, нарушение целостности весьма чувствительных к механическим воздействиям тромбоцитов приводит к высвобождению тромбопластина, нарушающего равновесие в функционировании свертывающей-антисвертывающей системы крови, регулирующей параметры ее жид­кого состояния.

Разрушение мембран эритроцитов при ультразвуковом облучении организма также приводит к существенным биологическим последст­виям. Содержимое и осколки эритроцитов обнаруживаются в крови здоровых людей и без ультразвукового воздействия, хотя основной путь элиминирования эритроцитов - эритрофагоцитоз - заключается в поглощении эритроцитов клетками ретикулоэпителиальной системы, расположенной в печени и селезенке. Возможно, существенная роль в регуляции эритропоэза принадлежит метгемоглобину, содержание ко­торого в эритроцитах к концу их жизни достигает 8... 10 %. Старые эритроциты обладают наименее прочной мембраной и разрушаются под действием ультразвука в первую очередь. Это при­водит к увеличению содержания в крови стимуляторов эритропоэза и последующему увеличению числа эритроцитов в ней. Такая реакция подтверждает известный факт: разрушение зрелых эритроцитов стимулирует образование новых клеточных форм.


Каталог: BMT1 -> sem12 -> !Курсач%20ТОБТС -> Дина%20курсач.%20Мат%20модель
sem12 -> Дипломный проект «Разработка аппаратно-программных средств для оценки функционального состояния человека-оператора»
sem12 -> Исследование изменения спектра фтмс 11-12
sem12 -> Перечень документов, на основании которых создается система, кем и когда утверждены эти документы
sem12 -> В последние годы все более широко применение получают направления научных и диагностических исследований биологических объекто
Дина%20курсач.%20Мат%20модель -> Курсовой проект по курсу: «Теоретические основы биотехнических систем»
!Курсач%20ТОБТС -> Курсовой проект по курсу Теоретические основы биотехнических систем на тему


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница