Коснуться невидимого, услышать неслышимое
Шрифт:
Для обеспечения перемещений фокальной области излучателя в объекте и минимальных потерь энергии по пути распространения ультразвуковых колебаний между пьезокерамической пластинкой и объектом помещается согласующая среда. В качестве одной из наиболее приемлемых и доступных сред используется вода. Ультразвук распространяется в воде с минимальным затуханием. Чтобы еще уменьшить потери акустической энергии, в частности из-за возникновения кавитации, вода должна быть максимально гомогенной. Наиболее частая причина нарушения гомогенности воды — выделение мельчайших пузырьков газа. Пузырьки вызывают увеличение поглощения и рассеяния ультразвука, способствуют возникновению кавитационных эффектов, которые заключаются в образовании быстро захлопывающихся паро-газов микрополостей и возникновении длительно существующих и стабильных газовых пузырьков, колеблющихся с частотой
Как практически осуществляют воздействие ультразвуком на объект через воду? В зависимости от задач исследования и особенностей конкретной методики объект, например рука обследуемого, и фокусирующий ультразвук излучатель могут быть размещены в резервуаре с водой. При этом руку можно перемещать относительно фиксированного излучателя или излучатель — относительно неподвижной руки. В таких условиях существует максимум возможностей для изменения места расположения фокальной области излучателя как на коже, так и в глубине руки.
Для увеличения точности локализации фокальной области излучатель перемещают относительно объекта с помощью специального координатного устройства. Иногда нет необходимости менять расстояние центра фокальной области относительно поверхности объекта. В таких случаях излучатель можно не погружать в воду, а, напротив, заливать воду в корпус излучателя. При этом часть корпуса, контактирующую с объектом, удобно выполнить в виде конуса, на открытом конце которого натянута тонкая, акустически прозрачная, например полиэтиленовая, пленка. В широкой части корпуса вода соприкасается непосредственно с пьезокерамической пластинкой, а в узкой части — с объектом (рис. 15). Для лучшего акустического контакта пленки с объектом, например с кожей, пленка и кожа смазываются вазелином. При необходимости изменить место расположения фокальной области конус заменяют на другой с большей или меньшей площадью сечения, прилегающего к объекту. При этом соответственно изменяется расположение фокальной области. Тех же результатов можно достигнуть, пользуясь излучателями, в которых пьезокерамическую пластинку можно перемещать внутри корпуса излучателя. Увеличение количества возможных перемещений фокальной области достигается в излучателях, конструктивно совмещающих особенности указанных двух типов, т. е. со сменными конусами и подвижной пьезокерамической пластинкой (рис. 15).
Рис. 15. Фокусирующие излучатели разных типов.
А — излучатель со сменным конусом и съемным указателем центра фокальной области, Б — с перемещающейся внутри корпуса пьезокерамической пластинкой, В — со сменным конусом, съемным указателем и перемещающейся пьезокерамической пластинкой. Вода внутри корпуса излучателей ограничена акустически прозрачной пленкой. Точкой на пленке обозначено место прохождения акустической оси излучателя.
В экспериментах с мелкими объектами, например с изолированными механорецепторами — тельцами Пачини, последние помещают в камеру, отделенную от резервуара с водой, где расположен ультразвуковой излучатель, акустически прозрачной пленкой. Камеру можно перемещать ближе или дальше по отношению к излучателю. Как правило, ее заполняют специальным водным раствором — для поддержания жизнедеятельности объекта во время опыта.
Сфера использования, режимы
Изучение действия фокусированного ультразвука на сенсорные системы животных и человека, связанные с различными органами чувств, выявило любопытный факт: ультразвук является удобным инструментом для раздражения сенсорных систем, и прежде всего тех, для которых в естественных условиях адекватным является механический стимул.
Работы, выполнявшиеся в Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова АН СССР, в Акустическом институте им. академика Н. Н. Андреева
По универсальности воздействия фокусированный ультразвук похож на электрический стимул, однако для успешного использования в каждом конкретном случае должен быть найден соответствующий режим воздействия. Если сенсорную систему сравнить с замком (возбудить ее — значит открыть замок), то ультразвук нельзя сравнивать с ключом, открывающим замок. Правильнее принять его за болванку такого ключа. Если в некоторых случаях, например при действии ультразвука на зрительную или вестибулярную системы, ключ не найден, т. е. не удалось получить активирующего воздействия, это еще не означает, что активация в принципе невозможна. Необходимо продолжить поиски активирующего режима ультразвукового воздействия. А что вообще такое «режим воздействия»? Иногда его называют дозой по аналогии, например, с дозой лекарства. Для достижения лечебного эффекта доза может быть разовой или многократной, неизменной при последующих приемах, возрастающей или убывающей. Принимать лекарство можно в высокой концентрации, предварительно разводить его, до еды, после и так далее. В общем замена «режима» «дозой» мало что проясняет.
Продолжим наше сравнение ультразвука, вернее — ультразвукового режима воздействия, с ключом, открывающим определенный замок, т. е. вызывающим активацию той или иной рецепторной или нервной структуры. Ключ может быть короче или длиннее, больше или меньше, открывать замок с одного или нескольких поворотов и т. п. Но во всех случаях он изготавливается из одной «болванки-ультразвука». В каждом режиме имеет значение место воздействия, включающее глубину от поверхности тела, объем и акустические свойства тканей, подвергающихся активации в фокальной области излучателя, а также расположенных по пути следования ультразвука от поверхности излучателя до фокальной области. Имеет значение частота ультразвука, интенсивность и длительность разового воздействия, необходимость однократного или многократного воздействий. В последнем случае бывает важна частота следования повторных включений и общее число стимулов.
Оптимальный режим может включать все или некоторые перечисленные компоненты, а также ряд других, здесь не указанных. Например, для активации тактильных рецепторов не важна частота ультразвука (в пределах диапазона 0.5—4 МГц), зато должна быть учтена амплитуда смещения среды в фокальной области, длительность стимулов, крутизна их переднего и заднего фронтов. Подробнее о тактильной рецепции будет рассказано дальше. Здесь лишь отметим, что минимальная длительность стимулов, при которых тактильные пороги будут самыми низкими, составляет 1—5 мс при условии, что стимулы прямоугольные по форме. Кроме того, пороги будут самыми низкими при частоте следования стимулов около 250 в секунду. Приведенный пример показывает также, что оптимальный режим воздействия может включать и такой критерий, как пороговая ответная реакция (порог тактильного ощущения).
Оптимальный режим — понятие совершенно конкретное по отношению к структуре, для которой выявляется возможность активации, или, следуя нашему сравнению, изготавливается ключ. Бывает, однако, ситуация, когда одним ключом можно открыть несколько замков. Действительно, обнаружены разные структуры, режимы активации которых весьма сходны. Но здесь мы вторгаемся уже в другую область — в изучение общих свойств различных органов чувств на основе сходства режимов активации.
Во всех исследованиях, когда применялись стимулы длительностью до 10 мс, тепловое действие ультразвука было настолько мало, что им можно пренебречь. Активация была связана с другими факторами, среди них — влияние знакопеременных колебаний ультразвуковой частоты. Природа влияния такого рода пока окончательно не ясна: могут иметь значение выделение биологически активных веществ, колебания собственных структур живых клеток, равно как и некоторые другие причины, о которых речь пойдет ниже.