Ефекти в биологичните тъкани при кавитация

Топлинни ефекти.
Отдавна е известно, че фокусираният ултразвук може да се използва за термично третиране на тъканите. Затихването на ултразвука по време на разпространението в тъканите води до превръщане на механичната енергия в топлинна. Ако излъчването е концентрирано в една област за определено време, тогава температурата в тъканите може да се повиши до стойности, достатъчни за проявление на различни биологични ефекти.

Термичното увреждане на тъканите е добре проучено. Цитотоксичността (токсично въздействие върху клетките), обикновено се наблюдава, при надвишаване на праговата температура от 41-42 ° С, освен това процентът на оцелелите клетки съществено намалява с увеличаване на времето на въздействие и температурата. Прагът и чувствителността към топлинното въздействие зависи от вида на тъканта, рН, хипоксията, наличието на подхранващи вещества. Така в един от професионалните апарати за корекция на фигурата се използва HIFU (фокусираното високочестотно високоинтензивно въздействие) за краткотрайно повишаване на температурата до 56°С и последваща некроза на адипоцитите (мастните клетки) поради коагулация на тъканите.

Действителната температура в тъканите за определено ултразвуково поле зависи от коефициента на затихване във тъканите (акустичен импеданс), интензивността на кръвния поток (конвекционните топлинни загуби) и топлопроводимост. Тези параметри не се определят лесно в живите тъкани, така че не е възможно точно да се изчисли повишаването на температурата в живата тъкан. Това е и причината за развитието на термометрията в хирургичните ултразвукови системи.

Целта на нагряването- това не винаги е ликвидацията на клетките, топлината може да се използва за различни термични методи за лечение. Например, хипертермията на тумори може да се извършва за увеличаване на перфузията (оросяване), което улеснява доставянето на лекарства, повишава чувствителността към лъчева терапия и химиотерапия, активира различни биохимични реакции в тъканите.

Кавитация.
В допълнение към топлинните ефекти на ултразвука има и няколко нетермични механизми, които предизвикват различни биологични ефекти. В първото споменаване за кавитация, датирано към началото на 1900-те години, беше отбелязано, че мехурчетата могат да причинят щети на близките към тях обекти. При определени параметри на ултразвуковите вълни, намалено налягане на течността предизвиква образуването на кухини, които се запълват с водни пари или разтворените в тях газове. Освен това, ултразвуковите вълни могат да взаимодействат с вече съществуващите газови мехурчета. Ето защо за възникването на кавитация е необходимо наличието на кавитационни ядра, микроскопични газови частици. Кавитационните ядра по естествен начин попадат в телесни течности, и се предполага, че различните хидрофобни примеси ги стабилизират в течността. Размерът на ядрата средно е по-малък от резонансната величина на терапевтичния ултразвук, но при висока амплитуда на акустичното поле кавитационните ядра започват да вибрират и се доближават към резонансната величина чрез директната дифузия и сливането на мехурчетата. Резонансният радиус на мехурчетата нараства с намаляване на честотата на ултразвука, и съответно при по-ниска честота ефектите на кавитацията се проявяват по-силно.

Акустичната кавитация може да бъде разделена на стабилна и инерционна (нестабилна).
Стабилната кавитация се проявява в периодично разширяване и свиване на мехурчета, като такива колебания водят до редица ефекти, включително нагряване, образуването на микропотоци в течността в близост до мехурчето и срязващото напрежение между слоевете. Периодичните радиални колебания на газовите мехурчета в течна среда при стабилна кавитация предизвикват напречни напрежения, които се наричат ​​микропотоци. Микропотоците, преминаващи през клетъчните мембрани, могат да засегнат съседните клетъчни структури и да повредят клетъчната мембрана [Pahade A., V.M.Jadhav and V.J.Kadam, 2010. Sonophoresis: an overview, International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research. 3 (2), 24-33].

При намаляване на честотата, величината на резонансните мехурчета и, следователно, обемът на течността, която се задвижва, се увеличава, и затова микропотоците по-добре се проявяват при ниски честоти.

При достигане на прага на инерционната кавитация, поведението на мехурчето с газа става силно нелинейно, мехурчето бързо се разширява и се разрушава, разпадайки се на фракции с образуването на ударна вълна, рязко повишаване на температурата и налягането, сонолуминесценция (явление, при което звукът генерира светлина), образуване на струи от течност и турбулентни потоци. Дори малкото увеличение на амплитудата по време на стабилна кавитация може да доведе до инерционна кавитация.

Бързото разрушаване може да доведе до сферично разклоняваща се ударна вълна, а шоковата вълна е разпространена техника за разбиване на камъни в бъбреците с помощта на ултразвук. В меките тъкани инерционната кавитация може да доведе до нарушаване на целостта на тъканите с образуването на кухини с течности или части от тъкани. Високите температури и налягане могат също да доведат до образуването на свободни радикали, които след това могат да увредят тъканите.

Инерционната кавитация изисква ултразвук с висока амплитуда. Експериментални данни показват, че праговата стойност на интензивността за постигане на инерционна кавитация в тъканите е приблизително пропорционална на честотата. Освен това, прагът на интензивността се намалява при наличието на голямо количество на кавитационни ядра, нисък вискозитет на тъкани, продължително въздействие при процедурата.

Използването на кавитация в ултразвуковата хирургия има няколко предимства: увеличава се обемът на коагулация в фокалната област, което потенциално може да съкрати времето за обработка на големи лезии в хирургията; намалява въздействието от ултразвуковите вълни зад зоната на фокусиране; намалява прага на термично увреждане и необходимата мощност за лечение.

Сонопорация (sonoporation -временно образуване на пори през клетъчната мембрана)  използва кавитация за въвеждане на различни вещества, например, фрагменти от ДНК, медицински разтвори и анестетици. Кавитацията позволява да се разбие кръвен съсирек (тромб) при исхемичен инсулт. Инжектиране на ултразвукови контрастни вещества в комбинация с ултразвук позволява да се преодолее кръвно-мозъчната бариера на различни терапевтични средства.

Кавитация в съединителната среда, кожата и мастната тъкан.
Импедансът на съединителната среда трябва да бъде подобен на този на кожата, за да се минимизират разсейванията. Обикновено се използват гелове, тъй като те имат по-висок вискозитет от водните разтвори, и съответно са по-устойчиви на появата на кавитация в тях. Взаимодействието между мехурчетата се описва с помощта на силата на Bjerknes, която по-активно се проявява при ниски честоти и избутва мехурчетата по-близо до повърхността на кожата. При увеличаване на интензивността, мехурчета могат да предизвикат появата на микроструи и увреждане на повърхността на кожата.

Изследвания с микроскопия след въздействието с нискочестотен ултразвук показват наличието на отвори в повърхностния слой на кожата, вероятно поради микроструи в съединителната среда. Данни от експерименти и теоретичен анализ показват, че кавитацията в съединителната среда при ниски честоти е по-интензивна, отколкото при високи честоти, и е основната причина за сонофореза и локално разрушаване на повърхностния слой на кожата. По този начин, при въздействието на мастния слой, за да се сведат до минимум нежеланите ефекти върху повърхността на кожата, е необходимо да се използват вискозни гелове, дегазация на средата и плътен контакт на излъчвателя по време на процедурата.

При ниски честоти процесът на кавитация директно в кожата не възниква, тъй като размерът на резонансното мехурче е много по-голям от размера на възможните кухини в плътните липидни пластове на повърхностния слой на кожата. При висока честота на ултразвук, размерът на кухините е сравним с резонансната величина на кавитационното мехурче, което може да доведе до кавитация директно в кожата.
Мастната тъкан има относително ниска плътност и се намира в непосредствена близост до кожата, което позволява селективно индуциране на кавитационни процеси в нея при минимална мощност на излъчване без използване на фокусирани излъчватели. Според хистологични изследвания, кавитацията с ниска интензивност води до селективно увреждане на мембраните на мастните клетки и освобождаване на липиди в междуклетъчното пространство.

Други биологични ефекти.

Разпространението на ултразвук в биологичните тъкани води до появата на радиационна акустична сила и микропотоци при въртенето на газовите мехурчета по време на стабилна кавитация. Тези ефекти се увеличават с увеличаване на амплитудата и стават по-забележими при незначително термично въздействие.

Ултразвуковото излъчване създава радиационна сила, която се стреми да размести частици на средата по пътя на разпространение на вълната в областите с високо налягане. Проявата на този ефект зависи само от интензивността на излъчването, доказано е, че той практически не се отбелязва при ниска интензивност.

Редица съобщения за ефектите на ултразвука на клетъчно ниво не могат да бъдат отнесени към термичния или кавитационен механизъм. Някои автори смятат, че въздействието на ултразвук увеличава ангиогенезата (образуването на нови кръвоносни съдове), обаче експерименталните резултати са противоречиви. Имало е съобщения, че импулсния нискоинтензивен ултразвук влияе върху експресията на гените in vivo и in vitro поради взаимодействието с различни рецептори, което води до стимулиране или инхибиране на клетъчните взаимодействия. Била е показана промяна в експресията на определени гени и включването на механизма на апоптоза на лимфомните клетки на човек чрез стимулиране на митохондриите. В култивирани фибробласти, активирането на редица рецептори доведе до увеличаване на клетъчната пролиферация и експресия на структурни протеини. Повишаване на експресията на редица протеини, свързани с образуването на костна тъкан, вероятно е основният молекулярен механизъм за ускоряване на възстановяването на костната тъкан при въздействие на ултразвук.