Ultraäänikavitaatio on kaasu- tai höyrykuplien (onteloiden) muodostumista ja toimintaa ultraäänellä säteilytetyssä väliaineessa sekä vaikutuksia, jotka aiheutuvat niiden vuorovaikutuksesta väliaineen ja akustisen kentän kanssa [1] [2] [3] [4 ] . Ultraäänikavitaatiota on kahta hyvin erilaista. Ensimmäinen niistä on inertiakavitaatio, jonka luonne liittyy kaasu-höyryonteloiden muodostumiseen nesteeseen, joka johtuu nesteen laajenemisesta akustisen aallon värähtelyjen negatiivisen puolijakson aikana. Puristuspuolijakson alkamisen jälkeen nämä ontelot romahtavat äkillisesti, ja paikallisia kuumenemis- ja hydrodynaamisia häiriöitä syntyy mikroshokkiaaltojen, kumulatiivisten suihkujen ja nestemäisten mikrovirtojen muodossa. Toinen tyyppi on ei-inertiaalinen kavitaatio, jolle on tunnusomaista pitkäaikaisten stabiilien kaasukuplien värähtely [1] [2] [3] [4] . Jos inertiakavitaatiokynnys ylittyy, voi molempia kavitaatiotyyppejä ilmaantua samanaikaisesti, varsinkin kun otetaan huomioon, että akustinen kenttä on yleensä epähomogeeninen.
Joissakin tapauksissa ultraäänikavitaatiolla on haitallisia vaikutuksia, ja sitten on etsittävä keinoja estää sen esiintyminen. Joten akustisten emitterien pinnalle syntyvä kavitaatio tuhoaa tämän pinnan. Samaan aikaan akustista kavitaatiota käytetään menestyksekkäästi ultraäänitekniikassa, esimerkiksi saastuneiden osien puhdistamiseen , purseenpoistoon, dispersioon , emulgointiin, aerosolien muodostukseen jne. Kavitaatio on löytänyt erityisen laajan ja hyödyllisen sovelluksen ultraäänen lääketieteellisissä sovelluksissa, erityisesti kirurgiassa [1] [4] .
Vain muutama vuosikymmen sitten julkaistussa fysikaalisen ja teknisen akustiikan kirjallisuudessa ultraäänikavitaatio merkitsi yleensä epäjatkuuksien muodostumista nestemäiseen väliaineeseen harvennusvaiheen vetojännitysten vaikutuksesta, epävakaiden höyry-kaasuonteloiden ilmaantumista ja sitä seuraavaa. näiden onteloiden romahtaminen puristusvaiheessa [5] [6] [7] . Tällaiset ilmiöt vastaavat kirjallisuudessa tavattuja käsitteitä "epävakaa" [8] , "tosi", "höyry", "transientaalinen", "todellinen" kavitaatio . Myöhemmin monet kirjoittajat alkoivat käyttää tämäntyyppistä kavitaatiota kuvaamaan termiä "inertiaalinen" kavitaatio, koska nesteeseen varastoitunut kineettinen energia välittyy kuplalle ja ohjaa sen liikettä romahduksen aikana. Vuonna 1996 World Federation of Ultrasound in Medicine and Biology -symposiumissa lääketieteellisen ultraäänen turvallisuudesta tämä termi "laillistettiin" kuvaamaan tämän tyyppistä kavitaatiota [3] .
Inertiaalisen (epävakaan) ultraäänikavitaation fyysistä luonnetta ja ilmenemismuotoja on tarkasteltu yksityiskohtaisesti monissa katsauspapereissa ja kirjoissa [1] [2] [4] [5] [7] [9] [10] [11] [12] [13] . Yksi tärkeimmistä fysikaalisista ilmiöistä, joka johtuu epävakaiden onteloiden ilmaantumisesta, on shokkiaaltojen muodostuminen ja myöhempi eteneminen [1] [11] .
Myöhemmin termi kavitaatio alettiin kuitenkin ymmärtää paitsi inertiakavitaationa, jonka määritelmä on annettu edellä, vaan myös mitä tahansa kuplien aktiivisuutta, joko aiemmin väliaineessa ollutta tai ultraäänen vaikutuksesta syntynyttä, mukaan lukien pitkät värähtelyt. -aikaiset, vakaat kaasukuplat [9 ] [13] . Nämä kuplat voivat sulautua yhteen tai kasvaa näkyvän kokoisiksi ns. rektifioidun tai suunnatun diffuusion avulla [1] [6] [7] . Tämän ilmiön ydin on, että akustisten värähtelyjen aikana kaasu diffundoituu kuplaan harvinaistumisvaiheen aikana ja sitten poistuu siitä puristusvaiheessa. Koska kuplan pinta on harvinaistumisvaiheessa paljon suurempi kuin puristusvaiheessa, seurauksena oleva kaasuvirtaus ohjataan kuplan sisään, mikä saa kuplan kasvamaan. Vakaat kuplat ovat olemassa monille tuhansille tai miljoonille ultraäänivärähtelysykleille, kun taas inertiakavitaatiokuplien käyttöikä on yleensä verrattavissa useiden syklien kestoon.
Tämän tyyppistä kavitaatiota kutsutaan usein "stabiiliksi" kavitaatioksi [8] , koska se vastaa olennaisesti stabiilien kuplien kentän ilmaantumista eikä siihen liity epävakaalle ultraäänikavitaatiolle ominaisia fyysisiä vaikutuksia. Kuitenkin edellä mainittu symposium [3] tämän tyyppisen kavitaation kuvaamiseksi "legitimisoi" termin "ei-inertiaalinen" kavitaatio, joka sen jälkeen tuli yleisesti hyväksytyksi. Vakaasti olemassa olevien kuplien ilmaantuminen voi johtaa erilaisiin, erityisesti biologisiin vaikutuksiin (kudosten mikrorakenteen muodonmuutos, pienimuotoisten akustisten virtausten muodostuminen - mikrovirtaukset jne.), mutta tämä ilmiö ei ole yhtä nopea, räjähtävä kuin inertiaalinen akustinen kavitaatio. On huomattava, että inertiaalisten (epävakaiden) kavitaatioonteloiden muodostumiseen vaadittavat ultraäänivoimakkuuden kynnysarvot ovat paljon korkeammat kuin ei-inertiaalisten (stabiilien) kuplien muodostumiselle.
Kudoksen repeämiä muodostuu nestemäisen väliaineen kavitaatioytimiin tai "heikkoihin kohtiin". Pääosin mikroskooppisia kaasukuplia olevien nesteiden heikkojen kohtien pitkäaikaisen olemassaolon (stabiloitumisen) mekanismia on pidetty pitkään mysteerinä ja siitä on keskusteltu pitkään. Tosiasia on, että suurten kuplien pitäisi kellua ylös Stokesin kelluvuusvoiman takia (esimerkiksi kuplan, jonka säde on 10 μm, nousunopeus on 0,2 mm/s), ja pienten kuplien pitäisi liueta paineen vaikutuksesta. pintajännitys 2σ/R , jossa σ on pintajännityskerroin kaasun ja nesteen rajapinnassa ja R on kuplan säde. Esimerkiksi kuplalle, jonka säde on 1 μm, tämä lisäpaine on 1,5 atm. Kaasukuplien - kavitaatioytimien - syntymisen ja vakaan olemassaolon selittämiseksi nesteissä käytettiin erilaisia mekanismeja, joita käsiteltiin yksityiskohtaisesti useissa kirjoissa ja katsauksissa [5] [6] [7] . Siten osoitettiin, että kavitaatioytimiä voi syntyä jatkuvasti veteen kosmisten säteiden , neutronien ja muiden korkeaenergisten hiukkasten vaikutuksesta [5] . Fox ja Hertzfeld [14] ehdottivat, että orgaaniset molekyylit voivat muodostaa kuoren kuplan pinnalle, mikä estää kaasua diffundoitumasta kuplan pinnalta. Toinen teoria liittyy mikrohalkeamien esiintymiseen pölyrakeissa ja epäpuhtaushiukkasissa; nämä mikrohalkeamat, samoin kuin kiinteät hiukkaset, voivat toimia kaasuloukkuina.
Biologisissa rakenteissa "heikot kohdat" ovat todennäköisesti mikroskooppisia kaasukuplia, jotka on peitetty orgaanisten epäpuhtauksien kalvolla, joita on aina normaalisti kaasulla kyllästetyissä kudoksissa ja jotka sijaitsevat myös epäpuhtaushalkeamissa tai kalvon huokosissa. Nämä kuplat voidaan havaita erityisillä akustisilla menetelmillä [15] . Toisen tyyppinen "heikkous" biologisissa rakenteissa voi olla rajapinta eri kudosten tai väliaineiden, kuten veren ja verisuonten seinämien, välillä. Kavitaatioytimiä voidaan luoda tarkoituksella esimerkiksi käyttämällä ultraäänikaikuvarjoaineita [16] .
Siinä tapauksessa, että vesi olisi täysin puhdasta eikä sisältäisi höyry-kaasusulkeumia, se kestäisi luokkaa 1000 MPa [5] . Kuitenkin johtuen höyrykuplien spontaanista ilmaantumisesta siihen, veden teoreettinen lujuus pienenee suuruusluokkaa ja on 100 MPa [5] . Veden todellinen vahvuus kosketuksessa ilman ja ilmakehän pölyn kanssa on yhtä suuri kuin megapascalien yksiköt ja jopa murto-osat [5] . Flynnin osuvan huomautuksen [6] mukaan mitään vettä todellisissa olosuhteissa ei tarvitse repiä osaksi - se on jo repeytynyt siinä olevien kavitaatioytimien vaikutuksesta.
Käytettäessä megahertsin taajuusalueen taso-ultraääniaaltoja kavitaatiota nestemäisissä väliaineissa, erityisesti biologisissa väliaineissa, joissa on normaali kaasupitoisuus, voi tapahtua vain 0,3 W/cm 2 intensiteetillä eli noin 1 atm : n äänenpaineamplitudilla . tai 0,1 ( 17 ) [18] . Pulssisäteilytystilassa sekä ultraäänen taajuuden kasvaessa, väliaineen viskositeetin kasvaessa ja sen kaasupitoisuuden pienentyessä kavitaatiokynnykset kasvavat huomattavasti, mutta eivät yleensä ylitä useita ilmakehyksiä. Kuitenkin, kun kohdistettua ultraääntä käytetään samanlaisissa tilanteissa, kavitaatiokynnykset kasvavat merkittävästi (useita suuruusluokkia) verrattuna tasojen ultraäänikenttien kynnyksiin. Esimerkiksi kavitaatiota koe-eläinten aivokudoksissa tapahtuu ultraääni-intensiteetillä polttoalueella satoja ja tuhansia W/cm2 [ 19] . Osoitettiin myös, että koiran lihaskudoksen kavitaatiokynnykset taajuusalueella 0,25-1,7 MHz olivat 5 MPa·MHz −1 äänenpaineella mitattuna [20] , mikä 1 MHz:n taajuudella on 50 kertaa korkeampi kuin edellä mainittu kavitaatiokynnys tasaisella kentällä. Syy kavitaatiokynnysten näin jyrkälle nousulle fokusoitua ultraääntä käytettäessä liittyy useisiin tekijöihin. Ensinnäkin fokusoivan säteilijän polttoalueen tilavuus on paljon pienempi kuin vaikutusalue, kun käytetään taso-ultraääniaaltoja; vastaavasti todennäköisyys löytää kavitaatioytimiä fokusalueelta on myös pieni.
Toinen tärkeä tekijä on se, että fokusoidussa ultraäänessä kavitaatiota tapahtuu itse nestemäisessä väliaineessa ja taso-ultraääniaaltojen tapauksessa se tapahtuu ensisijaisesti emitterin ja nesteen rajapinnassa. Koska missä tahansa, jopa hyvin kiillotetussa emitterin pinnassa, on aina mikrohalkeamia, jotka ovat täynnä ilmaa ja jotka ovat kavitaatioytimien "generaattoreita" [5] [6] [7] , tällaisten rajapintojen läsnäolo myötävaikuttaa aina väliaineen kavitaatiovoimakkuus. Alkuperäisestä kavitaation alkiosta syntynyt kavitaatioontelo hajoaa romahtaessaan useiksi mikroskooppisiksi kaasu-höyrykupliksi [5] , jotka toimivat valmiina ytiminä, joihin kehittyy uusia kavitaatioonteloita seuraavissa ultraäänivärähtelysykleissä. Tämä prosessi kasvaa kuin lumivyöry, kunnes saavutetaan tietty vakaa tila, joka vastaa kehittyneen kavitaation ilmaantumista nestemäiseen väliaineeseen. Tällöin väliaineessa on monia kavitaatioytimiä, eikä väliaineen kavitaatiovoima enää vastaa alkuvoimakkuutta.
Käytännössä ultraäänen intensiteetti, jolla kavitaatio tapahtuu testinäytteessä (esimerkiksi kudoksessa), riippuu merkittävästi monista tekijöistä: väliaineen ultraäänikentän konfiguraatiosta, väliaineen puhtaudesta, kaasupitoisuudesta, viskositeetista, lämpötilasta, ulkoinen paine, ultraäänialtistushistoria, ultraäänitaajuus jne. [1] . Esimerkiksi ulkoisen paineen kasvaessa kavitaatiokynnys kasvaa. Kavitaation käynnistämiseen vaadittava akustisen paineen amplitudi pienenee, kun säteilytetyn nesteen kaasupitoisuus kasvaa. Väliaineen lämpötilan noustessa sen kavitaatiokynnys laskee, ja viskositeetin kasvaessa se kasvaa. Siten kirjallisuudessa esitetyt kavitaatiokynnysten arvot kudoksissa ovat merkityksettömiä ilman yksityiskohtaista kuvausta olosuhteista, joissa ne mitattiin. Näin ollen julkaistujen tietojen mukaan kavitaatiokynnysten arvot vedessä 1 MHz:n taajuudella voivat vaihdella välillä 1 - 2,7 · 10 3 W/cm 2 [21] .
Kavitaatiokuplat lähettävät ääntä, joka voidaan tallentaa ja analysoida. Kavitaatiomelun mittaukset antavat mahdollisuuden paitsi määrittää väliaineen kavitaatiovoimakkuutta, myös joissain tapauksissa arvioida kavitaation kehittymisastetta. Matalilla kynnyksen alivoimakkuuksilla väliaineessa lähetetään vain ultraäänen perustaajuuden f signaali . Kuitenkin intensiteetin kasvaessa lähetetyn signaalin spektristä tulee monimutkaisempi ja se voi sisältää korkeampia harmonisia (esimerkiksi 2 f ), aliharmonisia ( f /2, f /3 jne.) ja ultraharmonisia (2 n +1) f/2 [ 1] [22] . Harmonisen tai aliharmonisen esiintymistä signaalispektrissä pidetään kuplan epälineaarisen liikkeen indikaattorina. F /2- aliharmonisen syntyä on tutkittu aktiivisimmin , koska sitä varten on saatu useita todisteita äänisäteilyn ja tallennettujen biologisten vaikutusten välisestä suhteesta [1] [22] .
Siitä huolimatta aliharmonisten esiintymismekanismista, erityisesti ei-inertiaalisessa (stabiilissa) kavitaatiossa, keskustellaan edelleen [1] . Inertiaaliselle (ei-stationaariselle) kavitaatiolle se on ilmeisesti selkeämpi, koska suhteellisen korkealla äänenvoimakkuudella aliharmoninen voi päästää kuplia, joiden elinikä ennen romahtamista on kaksi ultraäänivärähtelyjaksoa. Todennäköisesti f /3-aliharmonisen emissiomekanismi on sama. Tiedetään myös, että kun ultraäänikentässä esiintyy kavitaatioaktiivisuutta, valkoisen kohinan taso, eli signaalin, jolla on jatkuva spektri laajalla taajuuskaistalla, kasvaa. Sen esiintymismekanismi liittyy useisiin vaikutuksiin: kuplan pinnan virittymiseen, häiriöihin väliaineessa kuplien nopean liikkeen seurauksena korkean intensiteetin kentässä ja shokkiaaltojen muodostumiseen kuplien romahtaessa [1] .
Eräs inertiakavitaatioaktiivisuuden mitta on sonoluminesenssin [23] (eli ultraäänellä säteilytetyn nesteen valon emissio) mittaus, joka mitattiin jopa ultraääniparametreilla, jotka ovat ominaisia ultraäänen diagnostiselle sovellukselle [24] . Tutkiessaan sonoluminesenssin mekanismeja (niitä ei silti voida pitää aivan selvinä) tutkijat ovat törmänneet seuraaviin faktoihin [1] :
• hehku vähenee ultraäänitaajuuden kasvaessa, eikä sitä havaita yli 2 MHz:n taajuuksilla;
• hehkua esiintyy tietyllä ultraäänen kynnysvoimakkuudella ja lisääntyy sitten intensiteetin kasvaessa, mutta voi kadota, kun saavutetaan erittäin korkea intensiteetti;
• hehku heikkenee ulkoisen paineen kasvaessa;
• Hehku heikkenee keskilämpötilan noustessa.
Sonoluminesenssi on hyödyllinen tekniikka nesteiden kavitaation tutkimiseen ja seurantaan. Tämä menetelmä ei kuitenkaan sovellu kavitaation tutkimukseen läpinäkymättävissä kudoksissa.
Kavitaation hallitsemiseen voidaan käyttää erilaisia menetelmiä: fysikaalisia (mukaan lukien akustisia), kemiallisia ja biologisia (pääasiassa histologisia) [1] [2] [4] [25] [26] . Jotkut kehitetyistä menetelmistä soveltuvat vain biologisten suspensioiden kavitaation hallintaan . Tällaisia ovat esimerkiksi menetelmät, jotka perustuvat kavitaatioonteloiden visuaaliseen rekisteröintiin, kavitaatiokuplien avulla väliaineen läpi kulkevan valovirran muutosten tutkimiseen, väliaineen kemiallisten muutosten tutkimiseen (esimerkiksi vapaan aineen vapautumisprosessit). jodi kaliumjodidiliuoksesta), makromolekyylien hajoamisen , luminesenssin jne. tutkimus. Näitä menetelmiä käsitellään riittävän yksityiskohtaisesti yllä olevissa katsauksissa ja kirjoissa.
Kavitaation hallitsemiseksi läpinäkymättävissä biologisissa kudoksissa in vivo , akustisia menetelmiä, jotka perustuvat laajakaistaisen akustisen kohinan tai aliharmonisten rekisteröintiin, jotka syntyvät ultraäänikavitaatiossa väliaineessa [1] [4] [9] [19] [20] [22] ovat laajimmin käytettyjä . Kavitaatiokohinaa voidaan tarkkailla ja analysoida hydrofoneilla , joista signaali syötetään spektrianalysaattoreihin , tietylle taajuudelle (esimerkiksi aliharmoniselle) viritetyille suodattimille tai valikoiville volttimittareille . Myös muita akustisia menetelmiä käytettiin: ultraäänikuvaus ( pääasiassa B-skannaus), ultraäänisironta, toinen harmoninen säteily jne. [1] [3] [4] [11] .
Menetelmä kavitaatiokynnysten mittaamiseksi on tunnettu pitkään, joka perustuu säteilytetyn nesteen impedanssin muutosten seurantaan kavitaatiokuplien muodostumisen aikana. On osoitettu, että veden impedanssi voimakkaassa ultraäänikentässä voi laskea jopa 60 % [27] . Impedanssin valvonta voidaan tehdä mittaamalla sähköisen signaalin muutos anturin yli.
Kavitaatioaktiivisuuden mittaustulokset vääristyvät merkittävästi, jos fokusalueelle sijoitetaan hydrofoni. Siksi kehitetään menetelmiä, jotka mahdollistavat tällaisten mittausten suorittamisen etänä. Siten eläinten aivokudosten kavitaation hallitsemiseksi käytettiin "kosketuksetonta" akustista menetelmää, joka perustui fokusoivan emitterin käyttöön vastaanottimena, kun taas aliharmoninen tallennetaan [28] . tai kavitaatiomelu [29] .
Kudokseen syntyneen kavitaation hallitsemiseksi on kehitetty laite litotripterillä [30] . Laite, jota kutsutaan passiiviseksi kavitaatioilmaisimeksi, koostuu kahdesta ortogonaalisesta konfokaalivastaanottimesta, joiden polttoalueet leikkaavat toisiaan. Mitatun tilavuuden poikittaismitta on noin 5 mm. Vastaanottimien sijainnin tarkka säätö avaruudessa saavutettiin polttopisteeseen asennetulla minihydrofonilla. Useat kirjoittajat [29] [30] [31] ovat omistautuneet kavitaatiomittauksen erityispiirteisiin litotriptoijien fokusalueella . [32] .
Kavitaation havaitsemiseen käytetään myös kuituoptisia hydrofoneja , joilla paineen mittaus perustuu ultraääni-indusoidun väliaineen taitekertoimen muutoksen käyttöön [33] . Tällaisen hydrofonin ominaisuudet ja testitiedot on kuvattu yksityiskohtaisesti [34] .
Ultraäänikavitaatiota käytetään kiinteiden aineiden (erityisesti kirurgisten instrumenttien) puhdistukseen, purseenpoistoon, dispergointiin , emulgointiin, aerosolien muodostukseen ja tilojen kostuttamiseen, elintarviketeollisuudessa jne. [5] .
Inertiaakustiseen kavitaatioon perustuvia menetelmiä on kehitetty aktiivisesti suuritehoisen fokusoidun ultraäänen lääketieteellisissä sovelluksissa. Uskottiin, että kavitaatiotapaa kudoksille altistumiselle tulisi välttää kavitaatioiden esiintymisen todennäköisyyden ja siitä aiheutuvan vaurion muodon ja sijainnin huonon toistettavuuden vuoksi. Tästä huolimatta osoitettiin, että kavitaatioaltistustapa useissa tapauksissa ei ole vain vaihtoehto yleisesti hyväksytylle ja yleisimmin käytetylle kudosaltistustavalle, vaan siitä tulee olennaisesti ainoa mahdollinen (ja samalla turvallinen). ) tapa toteuttaa tällaisia sovelluksia [4] .
Kavitaatiotilaa voidaan käyttää esimerkiksi syvän aivorakenteiden ultraääni tuhoamiseen (ultraäänihermokirurgia) ehjän kallon kautta. Tässä tapauksessa perinteisen lämpöaltistustilan käyttö johtaa väistämättä kallon luun lämpövaurioihin sen korkean ultraäänen absorption vuoksi, kun taas ultraäänikavitaatiotila voi olla melko hyväksyttävä tavoitteen saavuttamiseksi [4] . Kavitaatiota voidaan käyttää solukalvojen tuhoamiseen, mikä johtaa solunekroosiin. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää ultraäänikirurgiassa. Kavitaatio voi olla tehokas tapa lisätä absorptiota kudoksissa ja siten tehostaa ultraäänialtistuksen lämpökomponenttia, koska kudoksiin muodostuu kaasukuplia, jotka lisäävät jyrkästi äänen absorptiota. Lämpötilan nousu puolestaan tehostaa ultraäänen kavitaatioaktiivisuutta, koska kudoslämpötilan nousu alentaa kavitaatiokynnystä kudoksissa. On näyttöä siitä, että kavitaatio on ilmeisesti päämekanismi ultraäänen niin kutsutussa sonodynaamisessa vaikutuksessa, eli lääkkeiden kasvaimia estävän tehon lisääntymisessä, kun niitä käytetään yhdessä ultraäänen kanssa [35] . Toinen mahdollinen kavitaation sovellus onkologiassa voi perustua kasvainta ympäröivien verisuonten tuhoutumiseen , mikä johtaa sen verenkierron tukkeutumiseen ja sen seurauksena ultraäänen vaurioittavan vaikutuksen lisääntymiseen kasvainsoluihin. 4] .
Hyvin vanhassa perinteessä on menetelmä kudossolujen mekaaniseen tuhoamiseen murskaamalla ja repimällä niitä shokkiaaltojen ilmaantumisen vuoksi, kun suuri määrä kavitaatiokuplia romahtaa. Tällaisen kudosten solurakenteen todellisen kavitaation tuhoutumisen histologiset piirteet eroavat merkittävästi tuhoutumisesta lämpökudosnekroosin aikana. Mielenkiintoista on, että shokkiaaltojen synnyn aikana syntyneiden korkeiden positiivisten paineiden vaikutus kudoksiin ei sinänsä johtanut havaittavaan tuhoutumiseen kasvainkudoksissa in vivo , mikä vahvistettiin histologisilla ja sytometrisilla menetelmillä [36] . Kuitenkin heti kun negatiivinen äänenpaine syntyi ennen äänenpaineen positiivista huippua, mikä lisäsi jyrkästi muodostuneiden kavitaatiokuplien määrää, tuhosta tuli laaja ja hyvin toistettava [36] [37] [38] .
Kavitaatioaktiivisuutta lisää merkittävästi stabiilien mikrokuplien alustava lisääminen kudoksiin teollisesti valmistettujen kaikuvarjoaineiden muodossa [16] . Kavitaation esiintymisen kynnys eläimen munuaisten kudoksissa pieneni 4 kertaa. Lisäksi ultraäänen tuhoisan vaikutuksen kynnys on myös laskenut merkittävästi (kestoltaan 100-kertainen ja voimakkuudeltaan 2-kertainen). Kynnyksen alentaminen kavitaatioytiminä toimivien mikrokuplien käyttöönotossa voi tehdä akustisesta kavitaatiosta ennakoitavamman ja siten hyväksyttävämmän mekanismin ultraäänikirurgian harjoitteluun.
Kun kaikukontrastiaineita viedään kudoksiin, havaitaan ultraäänen absorption lisääntyminen kudoksessa, koska siihen ilmaantuu kaasukuplia [38] . Erityisesti on osoitettu, että 1,1 μm kuplan (resonanssitaajuus 3 MHz) absorptiopoikkileikkaus on 0,005 mm 2 resonanssilla , mikä on useita suuruusluokkia suurempi kuin tällaisen kuplan fyysinen pinta-ala [38] . Arvioiden mukaan riittää, että 1 mm 3 kudoksessa on 8 resonanssikuplaa, jotta äänen absorptio siinä (ja siten ultraäänen lämpövaikutus) kasvaisi 2-kertaiseksi. On osoitettu, että kaikukontrastiaineiden lisääminen kudokseen lisää lämpötilan nousua kudoksessa ultraäänen vaikutuksesta suuruusluokkaa [39] .
Kaasukuplien muodossa olevien varjoaineiden vuorovaikutusmekanismit ultraäänen kanssa, kuplien biologiset vaikutukset ultraäänikentässä ja suositukset niiden turvalliseen käytännön käyttöön ovat laajan kirjallisuuden aiheita [40] [41] [42] [43 ]. ] .
Yksi lupaavimmista korkean intensiteetin fokusoidun ultraäänen käyttöalueista kirurgiassa on "histotripsia" [44] . Välttämätön edellytys sen toteuttamiselle on mikrokuplien läsnäolo kudoksissa joko varjoaineina, jotka on viety kehoon, tai kuplia, jotka ovat jääneet kudoksiin edellisen altistuksen jälkeen. Nämä mikrokuplat tarjoavat toistettavat kavitaatiokynnykset, vähentävät merkittävästi murtokynnyksiä ja myötävaikuttavat säännöllisempien murtumakeskusten luomiseen. Tällaisen tuhon rajat ovat hyvin selkeät ja sileät. Histotripsian etuna on, että mikrokuplien lisäksi myös mekaanisesti murskatut kudokset tunnistetaan ultraäänikuvauksella. Tämä mahdollistaa luotettavan tiedon hankkimisen tuhon paikallistamisen tarkkuudesta ja vaaditun terapeuttisen vaikutuksen saavuttamisesta, joskus reaaliajassa. Histotripsiamenetelmällä tehtyjen kokeiden tulokset on esitetty useissa artikkeleissa [45] [46] ja analysoitu kirjassa [4] .
Ultraäänikavitaatiotilaa käytetään menestyksekkäästi sellaisilla lääketieteen aloilla kuin onkologia , eturauhasen (eturauhasen) ja kohdun fibroidit , kudosten tuhoutuminen rintakehän takana, eteisvärinän hoito , glaukooma , verenvuotojen hallinta, shokkiaaltoterapia , plastiikkakirurgia , kosmetologia , neuropaattisen kivun poistaminen [47] , essentiaalisen vapinan hoito [48] , aivosisäisen kasvaimen - glioblastooman [49] tuhoaminen , kolmoishermon neuralgian hoito [50] sekä aivoverenvuodot [51] , Alzheimerin tauti jne. (katso [4] )
1. Sirotyuk, M. G. Akustinen kavitaatio. - M.: Nauka, 2008. - 271 s.
2. Flynn, G. Nesteiden akustisen kavitaation fysiikka. Per. alkaen eng. - M .: Mir, 1967. - T. 1. - S. 7-138.
3. Pernik, A. D. Kavitaatioongelmia. - L .: Laivanrakennus, 1966. - 439 s.
4. Nyborg, WL Ultraäänen biologisten vaikutusten fysikaaliset mekanismit. DHEW 78-8062. Washington, DC: Yhdysvaltain hallituksen painotoimisto. – 1977.
5. Akulichev, V. A. Kavitaatioonteloiden pulsaatiot // Kirjassa: Tehokkaat ultraäänikentät / Toim. L. D. Rozenberg. - M .: Nauka, 1968. - S. 129-166.
7. Rozenberg, L. D. Kavitaatioalue // Kirjassa: Powerful ultrasonic fields. / Toim. L. D. Rozenberg. - M .: Nauka, 1968. - S. 221-266.
8. Leighton, T. G. Akustinen kupla. - Lontoo: Academic Press, 1994. - 613 s.
9. Hill, K., Bamber, J., ter Haar, G. toim. Ultraääni lääketieteessä. Sovelluksen fyysiset perusteet. Per. englannista. — M.: Fizmatlit, 2008. — 544 s.
10. Bailey, M. R., Khokhlova, V. A., Sapozhnikov, O. A., Kargl, S. G., Cram, L. A. Fyysiset mekanismit terapeuttisen ultraäänen vaikutuksesta biologiseen kudokseen (katsaus) // Acoustic . -lehteä - 2003. -T. 49, nro 4. - S. 437-464.
11. Gavrilov, L. R. Kohdistettu korkean intensiteetin ultraääni lääketieteessä. - M.: Fazis, 2013. -656 s. — 978-5-7036-0131-2.