Физические характеристики и биофизические механизмы действия

Физические факторы механической природы вызывают в тканях организма механические колебания, распространяющиеся в виде продольных и поперечных волн.

Упругие колебания ультразвукового диапазона создают высокий градиент звукового давления — (10 – 150)•105 Па•см–1 и вызывают значительные сдвиговые напряжения в разных биологических тканях. Амплитуда колебательного смещения частиц тканей (≈1,0•10–6 м) недостаточна для возбуждения механорецепторов кожи. Вместе с тем такие смещения способны изменить проводимость strech-каналов мембран различных клеток и вызвать микропотоки метаболитов в цитозоле и органоидах (микромассаж тканей). Возникающая деформация тканей приводит к повышению проницаемости плазмолеммы отдельных клеток и различных гистогематических барьеров.

Поскольку биологические ткани являются средой, которая оказывает сопротивление распространению в ней механических колебаний, то эти колебания становятся затухающими, а потери энергии механических колебаний составляют физическую основу преобразования механической энергии в тепловую.

Если частота возбуждающихся в системе колебаний совпадает с собственной частотой системы, то возникает резонанс [1].

Механические колебания отражаются от границ раздела из-за послойного распределения тканей в организме, при этом падающая и отраженная волны могут интерферировать, образуя стоячие волны. Наибольшее значение этот процесс приобретает при высоких частотах ультразвука (УЗ), когда длина волны механических колебаний становится соизмеримой с толщиной слоев тканей.

Коэффициенты поглощения УЗ некоторыми тканями равны: нерв — 0,2, сердечная мышца — 0,35, мышца языка (перпендикулярно оси волокна) — 0,57, а вдоль оси волокна — 0,25 [18]. Поглощенная акустическая энергия в конечном счете переходит в тепло, повышая температуру поглощающей среды.

Кроме того, акустические волны оказывают давление (Р) на биологические ткани, которое зависит от скорости распространения акустической волны (V) и плотности среды (ρ):

P = √2ρ·V·1.

Если бы использовался УЗ интенсивностью 35 Вт/см2, то колебания давления достигали бы 10 атм.

При акустических воздействиях в жидких средах возникают полости (пузырьки), заполненные газом, во время полупериода разрежения. Это явление получило название кавитации [8, 15, 21].

Биофизическими исследованиями установлено, что ультразвуковая кавитация в воде и жидких средах (кровь, моча) сопровождается хемилюминесценцией, обусловленной возникновением электронных возбужденных состояний. Установлено, что малые движения жидкости вокруг клеток, названные микропотоком, играют важную роль в терапевтическом эффекте УЗ. Изменение проницаемости клеточных мембран и скорость диффузии ионов через мембрану обусловливает стимулирующее действие УЗ на репаративные процессы через посредничество ионов кальция как вторичного проводника биосинтетической активности клеток. Обезболивающий эффект УЗ связан с повышением скорости транспорта иона натрия через мембрану, поскольку этот ион влияет на электрическую активность нейронов. Вызванные УЗ сложные физико-химические изменения, начиная с электронных возбужденных состояний вплоть до образования перекисных соединений, могут активировать процессы свободнорадикального окисления. При этом, как правило, усиливается свободное окисление в дыхательной цепи митохондрий в ущерб фосфорилирующему, связанному с образованием АТФ в клетках «озвученных» тканей, и повышается оксигенация клеток и тканей. В то же время усиление ПОЛ в мембранах клеток на фоне повышенной оксигенации способствует компенсаторной активации антиоксидантных систем.

При УЗ-воздействиях происходит образование окислов азота. Один из них — оксид азота (NO), «эндотелиальный фактор релаксации сосудов» — важнейший иммунотропный медиатор. Как регулятор иммунного ответа, NO выполняет и цитопротективные функции — нитрификацию ДНК и РНК, удлинение жизни нуклеиновых кислот и, как следствие, усиление экспрессии цитокинов, а также синтез HSP-белков («белков теплового шока»), а также цитопатогенные функции — деструкцию антиоксидантных (железо-, кобальт-, марганец- и цинксодержащих) ферментов [9].

Антиоксидантные микроэлементы (подобно селену, цинку и меди в составе металлопротеинов) выступают синергистами цитопротективной функции NO в иммунном ответе. Если к этой «многоликости» NO добавить его способности снижать тонус гладкой мускулатуры сосудов, обеспечивать снижение системного артериального давления и поддерживать системную и локальную гемодинамику, то становится понятно, что УЗ является чрезвычайно активным физическим фактором.

Использование импульсного УЗ дает возможность снизить среднюю интенсивность воздействия, так как в течение интервала между импульсами происходит рассеяние тепла за счет теплопроводности «озвучиваемых» тканей и активации кровотока. Поэтому более высокие интенсивности целесообразнее и безопаснее использовать в виде импульсов УЗ. Интенсивные, но короткие импульсы могут способствовать увеличению скорости диффузии ионов через мембрану клетки, а также обусловить увеличение колебаний фосфолипидов и белков, формирующих эту мембрану [28, 29]. Частоты 16 и 37,5 Гц рассматриваются как характеристические частоты для внутриклеточной кальциевой системы и потому являются предпочтительными для ее регуляции.

Поиск по сайту: