Низкочастотный ультразвук низкой интенсивности и эффект кавитации для коррекции фигуры

Коррекция фигуры, Технологии и оборудование

Оглавление

  1. Введение
  2. Природа ультразвука
  3. Эффекты в биологических тканях
  4. Воздействие низкочастотного ультразвука на жировую ткань, результаты исследований
  5. Метаболизм жиров
  6. Эффективность и побочные эффекты
  7. Заключение
  8. Список литературы

Введение

Липосакция является наиболее популярной процедурой в эстетической хирургии, по данным Американского общества эстетических хирургов в 2015 году в США было выполнено на 15,6% больше процедур чем в 2014, a с 2015 по 2016 год рост составил 4,6%. Разработанный в Европе в середине 1970-х годов хирургический метод уменьшения локальных жировых отложений постоянно совершенствуется. Тумесцентная техника местной анестезии, а затем ультразвуковое и низкоинтенсивное лазерное излучение сделали процедуру безопаснее и сократили период восстановления.

В конце прошлого века ультразвук стал использоваться во многих областях медицины. В 1987 году Скудери и другие предложили использовать ультразвук для эмульсирования жировой ткани. В 1992 году Зоччи описал технику ультразвукового липоскульптуринга, состоящего из 3 основных шагов: введение в обрабатываемую зону тумесцентного раствора, обработку зоны с помощью специального инвазивного ультразвукового зонда, ручное ремоделирование тканей с удалением лишней жидкости и растворённых адипоцитов.

В 1998 году, Силберг описал технику хирургической липосакции, при которой ультразвук доставлялся неинвазивно через поверхность кожи. Лоуренс и Колеман в 1999 и Лоуренс и Кокс в 2000 провели исследования для подтверждения эффективности этого подхода. Ферраро в 2008 показал эффективность разрушения жировых клеток на гистологическом уровне при липосакции с внешним воздействием ультразвука на частоте 2-3 МГц. Таким образом, ультразвук уже долгое время используют как эффективное вспомогательное средство при проведении липосакции.

Несмотря на успех современной хирургической липосакции, большое количество исследований проводится в поисках наиболее эффективного нехирургического метода уменьшения жировых отложений. Это соответствует тенденции перехода к менее инвазивным процедурам. Многие пациенты не хотят обращаться к хирургии, предпочитая безопасные и удобные неизвазивные методики улучшения контуров тела, не требующих сложной реабилитации.

Были предложены методы на основе электростимуляции, радиочастотного излучения, низкоинтенсивного лазерного излучения, вакуумного массажа, криотерапии, инъекций липолитиков, ультразвука. В целом, в США в 2015 году количество выполненных процедур нехирургической коррекции жировых отложений увеличилось на 18,7% с 2014 года, за 2016 год рост составил 5,6%.

Применение низкочастотного низкоинтенсивного несфокусированного ультразвука для коррекции фигуры распространено на рынке эстетических услуг, оборудование не требует сложной конструкции и широко доступно (в русскоязычном сегменте часто используется фраза «аппараты для кавитации»), при этом качественных клинических исследований на эту тему проводится мало.

В статье собраны результаты наиболее значимых публикаций, посвящённых воздействию низкочастотного ультразвука на жировую ткань с результатами гистологических, ультраструктурных исследований. Приведены результаты сравнительных клинических исследований для различных групп пациентов, описаны основные эффекты воздействия ультразвука на биологические ткани, в том числе, эффект кавитации.

Природа ультразвука

Чтобы лучше представлять процессы, происходящие в биологических тканях под действием ультразвука, следует рассмотреть некоторые физические характеристики ультразвукового излучения.

Ультразвук —вид механической энергии, которая распространяется в упругих средах в форме волны давления. Знакомые нам волны давления это слышимый звук, который различает человеческое ухо (от 20 до 20 000 Герц), ультразвуковые волны имеют частоту выше слышимого человеком диапазона (более 20 кГц).

Упругие материалы способны изменять свой объём под действием внешнего давления и восстанавливать свою исходную форму после прекращения давления. Таким образом, под давлением ультразвуковой волны молекулы вещества начинают смещаться, в результате чего в смежных областях появляются области сжатия и растяжения (Рисунок 1).

Рисунок 1. График, изображающий синусоидальную продольную волну (сверху) и схематичное изображение частиц в среде (снизу). Вершина волны с максимальным давлением соответствует сжатию частиц на нижней схеме, отрицательное давление соответствует разрежению частиц.

Можно выделить несколько частотных диапазонов которые используются в медицине в различных целях. Ультразвук высокой частоты (1-20 МГц) применяется для ультразвуковой диагностики и хирургии, средние частоты (0,7-3МГц) используют в физиотерапии с термическим эффектом, и низкие (20-200 КГц) для терапии на основе механического воздействия ультразвука (сонофорез, сонотромболизис, стоматология, липосакция, хирургия глаза и др.).

Ультразвуковые волны переносят энергию, так же как электромагнитные волны. Интенсивность ультразвуковой волны определяется скоростью передачи энергии через единицу площади (Вт/см2).

Низкочастотный ультразвук условно разделяется на высокоинтенсивный и низкоинтенсивный. Низкоинтенсивный ультразвук как правило используется в сочетании с несфокусированным ультразвуковым полем, его интенсивность составляет от 0,1 до 3 Вт/см2. Высокоинтенсивный ультразвук имеет интенсивность от 5 до нескольких тысяч Вт/см2 и формируется сфокусированным излучателем.

Длина волны

Длина волны λ – это расстояние между двумя точками волны, фазы которых отличаются на 2π или расстояние, которое проходит фронт волны (или волновая поверхность) за время, равное периоду колебаний Т или обратному значению частоты колебаний f.

λ =v/f, где v – скорость распространения волны в среде.

Из этого соотношения следует, что с увеличением частоты ультразвука уменьшается длина волны λ.

Скорость распространения ультразвука в тканях человека и животных колеблется приблизительно от 1490 до 1610 м/с, т.е. почти не отличается от скорости распространения ультразвука в воде (1500 м/c). Чем плотнее среда, тем выше скорость волны, так в воздухе скорость звука составляет 331 м/с.

Длина звуковых волн в воздухе лежит в пределах от 22 м (частота 16 Гц) до 1,7 см (частота 20000 Гц). В воде (мягких тканях) длина волны при частоте 20000 Гц – 7,5 см, а при частоте 1МГц – 1,4 мм.

Источник ультразвука и ультразвуковое поле

Пространственная и временная структура ультразвуковых волн, или ультразвуковое поле, создаваемое источником ультразвуковых волн, в произвольной точке в пространстве, имеет важное значение для практического применения. Создано несколько теоретических моделей, а также специализированных программных пакетов для расчёта состояния ультразвукового поля.

В целях иллюстрации рассмотрим два распространённых источника ультразвуковых волн: плоский поршень и полусферу. Сначала рассмотрим ультразвуковое поле, создаваемое равномерно вибрирующим круглым диском с радиусом R или поршнем. Если радиус диска будет меньше либо равным излучаемой длине волны (λ), то волны будет расходиться в форме полусфер. Именно такие излучатели у большинства аппаратов, используемых в косметологии (Рисунок 2).

При увеличении радиуса или повышении частоты акустическое поле будет формироваться из сложной серии лучей (лепестков) в виде максимумов и минимумов в ближнем поле. Последний максимум достигается на расстоянии R^2/ λ от поршня, после этой точки интенсивность акустического поля начинает уменьшаться пропорционально обратному квадрату расстояния, эта область называется дальним полем. Такие излучатели в косметологии, как правило, не используются из-за высокой неоднородности акустического поля.

Рисунок 2 —Теоретический расчёт интенсивности ультразвукового поля, сформированного плоским круглым излучателем с радиусом 3 см и частотой 28 КГц в среде со свойствами кожи человека.

С помощью излучателя в форме полусферы можно сформировать гораздо более сфокусированное ультразвуковое поле. Ближнее поле сфокусированного источника также состоит из максимумов и минимумов, при этом интенсивность максимумов будет увеличиваться в направлении геометрического фокуса, после точки фокуса пучок начнёт расходиться. Фокальная область полусферы в точке геометрического фокуса имеет форму эллипсоида. Интенсивность в точке фокуса полусферического источника будет всегда выше, чем интенсивность в точке последнего максимума у поршня. Изменяя геометрию полусферического источника можно сфокусировать ультразвук практически в любой точке в теле человека. Такие излучатели используются для ультразвукового лифтинга (высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук, HIFU) и в некоторых аппаратах для коррекции фигуры.

Рисунок 3 — Теоретический расчёт интенсивности ультразвукового поля, сформированного полусферой с радиусом 3 см и частотой 200 КГц в среде со свойствами кожи человека.

Отражение и преломление

Сопротивление, которое среда оказывает колеблющейся поверхности характеризуется акустическим импедансом. Можно сказать, что для плоской волны импеданс равен произведению плотности материала и скорости звука в среде.

Основная часть мягких тканей содержит воду, поэтому акустические импедансы в организме существенно не отличаются от воды. Жировая ткань имеет несколько меньшее значение из-за более низкой плотности. Основными исключениями являются лёгкие, которые имеют значительно меньший акустический импеданс из-за большого количества воздушных полостей и кости, которые обладают высокой плотностью и соответственно высоким акустическим импедансом.

В однородной среде ультразвуковые волны распространяются прямолинейно. Однако если на их пути возникает поверхность раздела сред, то часть ультразвукового потока отражается, а часть, преломляясь, проникает далее в ткани. Для отражения достаточно, чтобы импедансы сред отличались, по крайней мере, на 1%. Чем значительнее различие в акустическом сопротивлении соседних тканей, тем большая часть энергии отражается на их границе, а также значительнее угол преломления. На границе мягкая ткань – газ отражение практически полное.

Особо следует сказать об отражении от кожи. Необходимо учитывать то обстоятельство, что кожа состоит из разных по влагосодержанию тканей. Так, поверхностный слой кожи (эпидермис) содержит мало влаги и не может быть отождествлен с этой точки зрения с мягкими тканями и, тем более с водой. Необходимо также учитывать небольшую толщину эпидермиса. Не исключено, что по этой причине эпидермис не может быть серьезным препятствием для распространения ультразвука в более глубокие слои кожи.

В связи с тем, что ультразвук отражается даже от тончайших прослоек воздуха, к телу пациента его подводят, через безвоздушные контактные среды: специальные гели, вазелиновое или растительное масло, лекарственные мази, воду. При ультразвуковой терапии излучатель перемещают, плотно прижимая его к коже. Если между излучателем и кожей человека будет воздушная прослойка, то ультразвук практически не проникнет внутрь, т.е. почти полностью отразится от границы воздух-кожа (волновое сопротивление биологической среды более чем в 3000 раз больше, чем волновое сопротивление воздуха).

Поглощение и рассеяние

Затухание ультразвуковых волн в тканях является результатом поглощения и рассеяния волн и определяет глубину проникновения. Вклад рассеяния в затухании невелик: рассеянная энергия также в конечном счёте поглощается, но на гораздо большей площади.

Поглощение ультразвука может происходить из-за свойств самой среды, а также при переотражениях на границах среды. В конце концов вся акустическая энергия преобразуется в тепловую.

Опытным путём было установлено, что поглощение и общее затухание приблизительно линейно зависит от частоты волны. За исключением нескольких типов тканей, коэффициенты затухания для мягких тканей схожи у всех млекопитающих.

В целом, можно отметить, что чем выше частота ультразвука, тем быстрее он затухает, преобразуясь в тепловую энергию. Низкая глубина проникновения высокочастотного ультразвука компенсируется использованием сфокусированного источника излучения.

Затухание значительно увеличивается в жидкостях и тканях при наличии в них небольших пузырьков газа. Ультразвуковые волны рассеиваются от пузырьков с различной частотой, часть энергии переходит в высокочастотные колебания, которые быстро затухают. Кроме того, изменения температуры из-за колеблющихся пузырьков приводит к более значительным потерям энергии, вследствие изменения плотности.  Ультразвуковая волна, распространяющаяся в среде, содержащей пузырьки газа, многократно рассеивается и поглощается, что приводит к более концентрированному рассеиванию и поглощению ультразвуковой энергии.

Этот эффект часто используют в ультразвуковой хирургии, вводя в ткани специальные пузырьки газа, для локализации воздействия.

Высокие пиковые давления разрежения могут привести к образованию пузырьков в мягких тканях, взаимодействие пузырьков и ультразвуковой волны называется кавитацией. Этот эффект имеет важное значение при воздействии на жировую ткань и в дальнейшем будет рассмотрен более подробно.

Вывод

При использовании вязких гелей в качестве медиасреды ультразвук хорошо проникает в мягкие ткани. При теоретическом моделировании интенсивность ультразвукового поля низкочастотного несфокусированного источника быстро уменьшается уже на глубине 1,5-2 сантиметра в мягких тканях. Воздействие низкочастотным ультразвуком в непосредственной близости от костей, лёгких может привести к интенсивному нагреву. Низкочастотный ультразвук обладает меньшим термическим эффектом, чем высокочастотный. Пузырьки газа, образующиеся при кавитации, приводят к нагреву и дальнейшему усилению кавитационных процессов.

Эффекты в биологических тканях

Тепловые эффекты

Достаточно давно известно, что сфокусированный ультразвук можно использовать для тепловых поражений в тканях. Как описано выше, затухание ультразвука при распространении в тканях приводит к превращению механической энергии в тепловую. Если излучение сосредоточено в одной области достаточное время, то температура в тканях может увеличиться до значений, достаточных для проявления различных биологических эффектов.

Термические повреждения тканей хорошо изучены, цитотоксичность, как правило, наблюдается при превышении пороговой температуры в 41-42° С, кроме того, доля выживших клеток экспоненциально уменьшается с увеличением времени воздействия и температуры.

Порог и чувствительность к термическому воздействию зависит от типа ткани, pH, гипоксии, наличии питательных веществ.

Так в одном из коммерческих устройств для коррекции фигуры используется сфокусированное высокочастотное высокоинтенсивное воздействие (HIFU) для кратковременного повышения температуры до 56° С и последующим некрозом адипоцитов вследствие коагуляции тканей.

Фактическая температура в тканях для определённого ультразвукового поля зависит от коэффициента ослабления тканей (акустического импеданса), интенсивности кровотока (конвекционные потери тепла) и теплопроводности. Эти параметры не легко определить в живых тканях, поэтому не представляется возможным точно рассчитать повышение температуры в живой ткани. Это является причиной развития термометрии в хирургических ультразвуковых системах.

Цель нагрева — это не всегда гибель клеток, нагрев можно использовать для различных термических методов лечения. Например, гипертермия опухолей может проводиться для увеличения перфузии, что упрощается доставку лекарственных средств, повышает чувствительность к радиационной терапии и химиотерапии, активации различных биохимических реакций в тканях.

Кавитация

В дополнение к тепловым эффектам ультразвука существует несколько нетепловых механизмов, которые индуцируют различные биологические эффекты. Первое упоминание кавитации зафиксировано в начале 1900-х годов, отмечалось что пузырьки могут нанести урон, располагающимся рядом объектам.

При определённых параметрах ультразвуковой волны, пониженное давления в жидкости вызывает образование пустот, которые заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Кроме того, ультразвуковые волны могут взаимодействовать с уже существующими пузырьками газа.

Таким образом для возникновения кавитации необходимо наличие кавитационных зародышей, микроскопических частиц газа. Кавитационные зародыши естественным образом попадают в жидкости организма, предполагается, что различные гидрофобные примести стабилизируют их в жидкости. Размер зародышей в среднем меньше чем резонансное значение терапевтического ультразвука, однако при высокой амплитуде акустического поля зародыши кавитации начинают вибрировать и приближаться к резонансному значению за счёт прямой диффузии и коалесценции (слиянию) пузырьков. Резонансный радиус пузырьков увеличивается с уменьшением частоты ультразвука, соответственно при низкой частоте эффекты кавитации проявляются сильнее.

Рисунок 4 — Кавитационные процессы

Акустическую кавитацию можно разделить на стабильную и инерциальную (нестабильную) (Рисунок 4).

Стабильная кавитация проявляется в периодическом расширении и сжатии пузырьков, такие колебания приводят к ряду эффектов, включая нагрев, формированию микропотоков в жидкости вблизи пузырька и напряжения сдвига.

Периодические радиальные колебания газовых пузырьков в жидкой среде при стабильной кавитации вызывают сдвиговые напряжения, которые называют микропотоками. Микропотоки проходящие через клеточные мембраны способны воздействовать на соседние клеточные структуры и повреждать оболочку клеток (Пахаде и др., 2010).

При уменьшении частоты, величина резонансных пузырьков и, следовательно, объём жидкости, который приводится в движение возрастает, поэтому микропотоки лучше проявляются на низких частотах.

При достижении порога инерциальной кавитации поведение пузырька с газом становится сильно нелинейным, пузырёк стремительно расширяется и лопается, распадаясь на фракции с формированием ударной волны, резким повышением температуры и давления, сонолюминесценции, образованием струй жидкости и турбулентных потоков (Рисунок 5). Даже небольшое увеличение амплитуды во время стабильной кавитации может привести к инерциальной кавитации.

Рисунок 5 — Формирование микроструи при инерциальной кавитации.

Быстрый коллапс может привести к сферически расходящейся ударной волне, шоковая волна является распространённым механизмом для разрушения камней в почках с помощью ультразвука. В мягких тканях инерциальная кавитация может привести к нарушению целостности тканей с образованием полостей с жидкостями или частями тканей.

Высокие температуры и давление может также привести к образованию свободных радикалов, которые затем могут в дальнейшем повредить ткани.

Инерциальная кавитация требует ультразвука с высокой амплитудой, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что пороговое значение интенсивности для достижения инерциальной кавитации в тканях примерно пропорционально частоте. Кроме того, порог снижается при наличии большого количества кавитационных зародышей, низкой вязкости тканей, продолжительном воздействии.

Использование эффекта кавитации в ультразвуковой хирургии имеет ряд преимуществ: объём коагуляции в фокальной области увеличивается, что может потенциально сократить время обработки больших поражений в хирургии, снижается воздействия ультразвуковой волны за областью фокуса, снижается порог термического повреждения