С помощью нелинейных ультразвуковых волн можно очень точно разрушать раковые опухоли, одновременно наблюдая за процессом с помощью простого УЗИ.

Медики давно ищут способ проводить операции внутри человеческого тела без непосредственного хирургического вмешательства, чтобы пациент обошёлся минимумом повреждений. В последние десять лет для таких операций научились использовать ультразвук. Если перед нами стоит задача, к примеру, избавиться от рака, то ультразвуковое излучение большой мощности, сфокусированное в нужной точке, нагревает опухоль и убивает раковые клетки. Сейчас ультразвук применяют против опухолей предстательной железы, почек, печени, молочной железы и даже мозга.

Клетки рака толстой кишки. (Фото Michaela33 / Flickr.com.)

Акустический фонтан на поверхности жидкости при воздействии на нее ультразвука, излучатель которого расположен снизу

Наибольший практический интерес здесь представляют так называемые нелинейные звуковые волны, форма которых отличается от гармонической (синусоидальной). Наглядный пример тех и других можно увидеть на море: вдали от берега волны почти гармонические, они просто покачивают пловца, у берега же волна нелинейная, и при достаточной силе обрушивающийся на берег вал может сбить человека с ног и разрушить береговые сооружения. Преимущество ультразвуковых нелинейных волн в том, что возникающие в них ударные фронты нагревают ткани значительно быстрее; более того, они способны порождать совершенно новые биологические эффекты.

Однако для создания волны с нужным ударным фронтом необходим соответствующий излучатель. Чтобы определить, какие у него должны быть характеристики, нужно решить сложную задачу со множеством взаимосвязанных параметров; кроме того, здесь также необходимо разобраться, что собой представляют нелинейные ультразвуковые поля в биологической ткани, какими математическими моделями их нужно описывать. Всё это удалось проделать специалистам-акустикам из Московского государственного университета (МГУ), которые совместно с коллегами и Университета штата Вашингтон (Сиэтл) опубликовавшими свои результаты в журнале IEEE Transactionson Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control.

Исследователи показали, что основной параметр у такого излучателя – это угол схождения звуковой волны, показывающий, насколько сильно должен быть сфокусирован ультразвук. Чем больше угол схождения, тем больше амплитуда ударного фронта в фокусе. То, что такая зависимость существует, известно давно, но сейчас впервые удалось оценить её количественно. Например, если в фокусе нужно добиться амплитуды в 100 мегапаскалей (что в 1000 раз больше атмосферного давления), то потребуется излучатель с углом схождения в 60 градусов.

Другой результат связан с механическим разрушением биологических тканей с помощью все того же ультразвука. Дело в том, что, нагревая опухоль до высокой температуры, можно повредить окружающие здоровые ткани, в которые распространяется тепло от точки нагрева. Кроме того, за процессом сложно наблюдать – УЗИ здесь не подходит, и потому приходится применять дорогостоящие магнитно-резонансные томографы.

Авторы работы нашли выход, предложив способ быстро «вскипячивать» биоткань в очень небольшой области. Для этого нужно использовать короткие ультразвуковые импульсы длительностью всего около миллисекунды. При их распространении за счет нелинейных эффектов в области диаметром около 0,1 мм и длиной 1 мм вблизи фокуса образуются ударные фронты, из-за которых ткань нагревается и взрывным образом вскипает, вырастая в пузырь миллиметрового размера. Пузырь увеличивается настолько быстро, что перекрывает путь ультразвуковому излучению ещё до окончания импульса. Таким образом, «хвост» импульса падает уже не на исходную биоткань, а на границу пузыря, разделяющую ткань и газ. Одновременно возникает эффект «акустического фонтана» – когда из поверхности жидкости при фокусировке на ней ультразвука поднимается струя. На «акустический фонтан» накладывается эффект ультразвукового распыления, в результате чего ткань разрывается на частицы микронного размера, которые выбрасываются внутрь пузыря, образуя в его центре однородную массу. И, что немаловажно, за разрушением ткани можно следить с помощью простого УЗИ.

По материалам МГУ.