Медицинская акустика

Работы по применению ультразвука в медицине и по использованию акустических эффектов и явлений при создании различных типов медицинской техники ведутся в Акустическом институте со времен его образования. Разработка медицинских приборов и инструментов проводится при творческом сотрудничестве со специалистами - медиками.
Исследования и разработки традиционно ведутся в двух основных направлениях:

  • разработка ультразвуковых методов, связанных с наложением колебаний частотой 20-50 кГц на хирургический инструмент;
  • разработка методов локального воздействия на глубоко расположенные ткани организма с помощью фокусированного ультразвука мегагерцового диапазона частот.

Исследования эффективности применения ультразвука при создании хирургических инструментов начались в конце 60-х годов. Было установлено, что придание элементу, воздействующему на биологическую ткань, ультразвуковых колебаний приводит к следующим результатам:

  • снижается усилие, необходимое для проникновения в ткань (в 5...10 раз);
  • происходит деструкция патологических новообразований;
  • достигается заметный бактерицидный эффект;
  • значительно снижаются кровопотери и сворачиваются гнойные образования в открытых ранах.

В 70-80-х годах в результате сотрудничества с ведущими отечественными хирургическими клиниками были разработаны и внедрены в практику ультразвуковые хирургические аппараты различного назначения, в том числе для офтальмологии, детской легочной хирургии.

На основе разработок Акустического института в стране был налажен мелкосерийный выпуск ультразвуковых хирургических аппаратов для детской хирургии ("Альвеола") и офтальмологии ("Лора" и "Лора-Дон").

К настоящему времени в Акустическом институте в результате проведенных работ имеется необходимый научно-технический задел для опытно-конструкторской работы по созданию специального набора микрохирургических ультразвуковых инструментов для операций на головном и спинном мозге. Планируется проведение научно-исследовательской работы по применению ультразвуковых хирургических инструментов для лечения стенозов пищевода. Эти работы практически обеспечены необходимой экспериментальной техникой и позволят, существенно расширив область малотравматичной хирургии, внедрить в практику уникальный научно-технический задел.

Исследования возможностей применения фокусированного ультразвука в различных областях медицины и физиологии начались в институте с начала 70-х годов. С помощью фокусирующих ультразвуковых систем удается получать в фокальной области излучателя значения интенсивности ультразвука порядка сотен и тысяч Вт/см2, в то время как интенсивность на поверхности излучателя не превышает долей или единиц Вт/см2. Основные достоинства фокусированного ультразвука, определяющие возможность его широкого применения в медицине:

  • данная технология неинвазивна, то есть, в отличие от существующих методов, не требует повреждения тканей при воздействии на глубинные структуры;
  • с помощью фокусированного ультразвука можно локально воздействовать на заранее заданные структуры, при этом объем области воздействия может варьироваться контролируемым образом путем изменения частоты ультразвука;
  • с помощью одних и тех же технических средств возможно вызывать разнообразные биологические эффекты - от стимуляции нервных структур до разрушения тканей.

В ходе исследований была разработана фокусирующая ультразвуковая аппаратура различных модификаций, проведены детальные исследования механизмов действия фокусированного ультразвука на биологические среды и объекты и совместно с рядом ведущих научно-исследовательских и лечебных учреждений Академии наук, Академии медицинских наук и Минздрава исследована и обоснована возможность применения фокусированного ультразвука в следующих областях медицины:

  • в экспериментальной и клинической нейрохирургии для локального разрушения глубоких структур мозга, в том числе и путём их облучения через неповрежденный череп;
  • в офтальмологии для ускорения "созревания" катаракты хрусталика глаза;
  • в урологии для "бесконтактного" разрушения желчных камней без нарушения целостности желчного пузыря;
  • в онкологии для гипертермии опухолей, а также для повышения эффективности противоопухолевого действия ионизирующего излучения и криовоздействия;
  • в кардиологии для локального воздействия на заданные структуры сердца.

Впервые установлена возможность применения фокусированного ультразвука для локального раздражения поверхностных и глубоко расположенных нервных структур человека. Метод и разработанные ультразвуковые приборы уже прошли клинические испытания для диагностики различных заболеваний (например, неврологических, кожных, заболеваний слуха и т.д.), сопровождающихся изменениями в сенсорном восприятии человека, путём сравнения порогов различных ощущений у людей с нормальным сенсорным восприятием и у пациентов с различными видами патологии. Кроме того, обоснована возможность применения метода:

  • в терапии для снятия или облегчения болевых ощущений, для лечения заболеваний путем неинвазивной стимуляции глубоко расположенных нервных структур, в частности точек акупунктуры без использования игл;
  • для оценки эффективности противоболевых препаратов с помощью измерения порогов боли до и после введения лекарственного вещества;
  • для слухопротезирования и подбора кандидатов для кохлеарной имплантации.

Были выполнены опытно-конструкторские работы по созданию приборов для диагностики неврологических и кожных заболеваний, а также заболеваний слуха, установки для ультразвуковой гипертермии опухолей, а также индивидуальных и коллективных ингаляторов. Разработаны методы и средства контроля и метрологического обеспечения медицинских применений фокусированного ультразвука. В частности, разработаны бесконтактные, дистанционные методы измерения параметров акустических и тепловых полей в тканях при действии фокусированного ультразвука.

В последние годы наряду с разработкой усовершенствованных конструкций фокусирующих преобразователей, основанных на использовании одиночных пьезокерамических преобразователей, разрабатываются многоэлементные фазированные решетки, позволяющие осуществлять электронное сканирование фокальной области (или совокупности фокусов) по заданному объёму тканей. В частности, совместно с Королевским колледжем, Лондон, Великобритания, разработана и изготовлена линейная фазированная решетка для лечения заболеваний простаты. Разработаны методы компьютерного моделирования акустических полей, создаваемых линейными и двумерными решетками для применения в хирургии и гипертермии опухолей. Показана возможность создания в тканях совокупности из значительного числа фокусов (например, 25). Предложена и обоснована новая конструкция многоэлементных антенных решеток, которая, в отличие от ставших общепринятыми решеток с регулярным расположением элементов на поверхности решетки, основана на использовании случайного расположения элементов. Это позволяет существенно уменьшить уровень вторичных максимумов интенсивности в акустическом поле решетки и тем самым повысить безопасность её практического использования в медицине. Результаты выполненных сотрудниками института исследований по применению фокусированного ультразвука в медицине и физиологии опубликованы в книгах, отечественных и зарубежных журналах.

Приоритет Акустического института в создании различных методов и приборов для применения в медицине закреплен авторскими свидетельствами и патентами.