Efectele biologice ale ultrasunetelor - ultrasunetele produc diferite efecte daunatoare asupra organismului

De la primele incercari facute pe animale (1924) s-a constatat ca ultrasunetele intense lezeaza organismul si pot cauza moartea. Cercetarile sistematice intreprinse din 1950 au dovedit ca daca intensitatea ultrasunetelor nu depaseste 4 W/cm² iar durata actionarii este sub 10 minute, nu apar efecte nocive.

In anul 1954, Firestone construieste primul instrument care produce ultrasunete, bazat pe tehnica puls-ecou si il foloseste la detectarea defectelor materialelor opace (cavitatie). Acest reflectoscop s-a dovedit a fi foarte util in testarea nedistructiva a materialelor; mai tarziu s-a stabilit posibilitatea aplicarii metodei in diagnosticul medical. De atunci s-a depus un mare efort pentru cercetarile in acest domeniu, tehnica puls-ecou reprezentand astazi una din cele mai importante tehnici cu ultrasunete utilizate in domeniul medical.

Ultrasunetele produc doua tipuri de efecte asupra organismului.

• Pe de o parte, unda de presiune dinamica solicita prin eforturi considerabile de intindere → comprimarea tesuturilor la nivel celular.
• Pe de alta parte, absorbtia pronuntata a energiei ondulatorii are un efect termic de volum. Partea din corpul omenesc expusa la o iradiere cu ultrasunete cu intensitatea 4 W/cm² timp de numai  20 de secunde, se incalzeste cu aproximativ 6^o C. Efectul termic produs este determinat si de proprietatile acustice si disipative ale tesuturilor. Astfel, oasele se incalzesc mai mult decat muschii sau tesuturile adipoase. De asemenea, in dreptul suprafetelor de discontinuitate efectele termice sunt mai ridicate decat in volumul marginit de acestea.

Ultrasunetele aplicate in scop terapeutic cu intensitati nepericuloase, dau efecte in profunzimea corpului; astfel este activata circulatia sanguina, regenerarea tesuturilor etc. Cu bune rezultate se fac masaje in afectiunile reumatice, alergii, traumatisme, in procesele de atrofiere a muschilor, in caz de imobilizare la pat. Ultrasunetele de intensitate ridicata se folosesc mai des prin efectele fizice produse in afara corpului, cum ar fi in instalatiile de aerosoli pentru obtinerea unor valori cu continut medicamentos, pentru instalatii sau pentru actionari mecanice imprumutand metodele tehnologiei masinilor unelte neconventionale in chirurgia osoasa sau in stomatologie. In acest din urma caz, vibratia ultrasonora fragmenteaza stratul invecinat uneltei pentru perforare sau pentru indepartarea unor parti din structura atacata.

Actiunea distructiva a ultrasunetelor intense isi gaseste aplicatie in cazul tumorilor. In acest scop se actioneaza cu o intensitate ridicata in regim de impulsuri, in asa fel incat valoarea mijlocie a puterii sa nu depaseasca nivelul admisibil (cativa wati). Pe durata impulsului, puterea ultrasonora poate atinge insa valori de ordinul kilowatului.

Ultrasunetele cu intensitati nepericuloase ofera astazi posibilitatea investigatiilor in profunzimea corpului viu, pentru identificarea formei si dimensiunilor unor organe interne, unor obiecte straine introduse in corp, localizarea unor tumori si obtinerea unor imagini asemanatoare radiografiilor Roentgen.

Tehnicile de obtinere a acestor efecte ale ultrasunetelor asupra tesuturilor vii se bazeaza, pe principiul general de functionare a unui sistem ultraacustic.

Efectele biologice ale ultrasunetelor sunt urmare a interactiunii ultrasunetelor cu structurile celulare. Tesuturile difera intre ele semnificativ prin coeficientul de absorbtie si de reflexie ceea ce permite utilizarea medicala a ultrasunetelor. Este interesant de remarcat ca distanta de injumatatire se modifica intr-un raport de pana la 1 / 2 in vitro si in vivo. Este evident faptul ca efectele depind de caracteristicile undei (frecventa, intensitate). De exemplu grosimea de injumatatire pentru muschiul striat in vitro este de 2,4 cm la 0,8 MHz, dar numai de 0,4 cm la 4,5 MHz.

Din punct de vedere al dependentei efectelor de intensitate, s-au delimitat, in mod conventional, trei domenii utilizate in practica medicala: intensitati mici 0,5-1,5 W/cm², intensitati medii 1,5-3 W/cm², intensitati mari 3-10 W/cm².

La intensitati mici, efectele sunt, in general, benefice. Apare un curent citoplasmatic ce stimuleaza procesele fiziologice. Daca insa durata iradierii se prelungeste prea mult, efectele se apropie de cele ale intensitatilor medii, cand curentii citoplasmatici puternici impiedica desfasurarea normala a mecanismelor celulare, modificandu-se permeabilitatea membranei. Efectele raman insa reversibile. La intensitati mari, se produc modificari functionale si structurale ireversibile, ce se pot evidentia histologic, mergand pana la necroze locale si moartea celulei. Tesuturile embrionare, neoplazice si in general celulele tinere sunt mai sensibile la iradierea cu ultrasunete decat celulele mature.

Mecanisme de interactie a ultrasunetelor cu materia biologica

Interactiunea ultrasunetelor cu mediul biologic se realizeaza prin urmatoarele mecanisme:

q       mecanism termic;

q       mecanismul de stress;

q       cavitatia

1.1.Mecanismul termic

In momentul interactiunii ultrasunetelor cu materia, o parte din energia fasciculului este absorbita de catre mediu si transformata in caldura. Cantitatea de caldura generata pe unitatea de volum a mediului este proportionala cu intensitatea acustica si cu coeficientul de absorbtie si invers proportionala cu densitatea mediului si cu caldura specifica a mediului. Luandu-se in considerare efectul conductiei termice, se apreciaza ca dupa o crestere initiala, temperatura va tinde catre o valoare de echilibru.

Incalzirea tesuturilor moi din organismul uman sub actiunea ultrasunetelor se realizeaza sub actiunea undelor ultrasonice longitudinale. In oase, efectul termic se datoreaza atat undelor longitudinale, cat si celor de forfecare.

Configuratia geometrica a interfetelor anatomice determina o imprastiere sau o concentrare a ultrasunetelor, contribuind la incalzirea locala. Distributiile de temperatura observate in tesuturi sunt diferite de cele calculate, din cauza difuziei termice (pierderii de caldura determinata de circulatia sanguina).

1.2. Mecanismul de stress

In sistemele eterogene, actiunea ultrasunetelor determina forte rezultante, cum ar fi:

q       forte ascensionale care produc o presiune prin radiatie asupra corpurilor care au o densitate diferita fata de a mediului inconjurator;

q       forte de radiatie sau de deplasare ce provoaca deplasarea neomogenitatilor din mediu cu viteze diferite;

q       forte de variatie a vascozitatii care apar din cauza variatiilor de vascozitate in timpul aplicarii ultrasunetelor.

Fortele mentionate determina aparitia in camp ultrasonor a unor microcurenti care se evidentiaza in apropierea bulelor de gaz care vibreaza.

La trecerea ultrasunetelor prin sistemele biologice se pot produce atat efecte pozitive cat si negative. Producerea acestor efecte este dependenta de urmatorii factori:

q       parametri de expunere la ultrasunete;

q       mediul prin care se face transmiterea ultrasunetelor;

q       tipul sistemului biologic;

q       starea sistemului biologic;

q       continutul de gaze din mediu;

q       forma si dimensiunile sistemului biologic

Parametrii de expunere la ultrasunete se refera la tipul de unda si parametrii acesteia. Astfel, daca unda este continua se iau in considerare frecventa, intensitatea si puterea acustica. Daca ultrasumetele sunt emise pulsatoriu, atunci trebuie luate in discutie frecventa, forma impulsului, durata impulsului si frecventa de repetitie a acestuia.

In functie de conditiile de iradiere se poate trece de la efecte biopozitive la efecte bionegative.

La nivel molecular, in functie de intensitate si frecventa, ultrasunetele produc oxidari si polimerizari, ruperea unor molecule biologice, atat proteice cat si acizi nucleici. Acidul hialuronic si condroitin-sulfuric, elemente importante ale substantei fundamentale a tesuturilor conjunctiv si cartilaginos, se descompun. Se mai observa coagulare proteica, scaderea g-globulinelor, cresterea serinelor.

2. Efectele actiunii ultrasunetelor la nivelul struturilor celulare.

La nivel celular, ultrasunetele produc hemoliza (in solutii diluate), rupturi si luxatii ale unor cili, flageli, microvilozitati. Permeabilitatea membranei celulare se modifica. S-a observat o crestere a volumului mitocondriilor si intreruperea crestelor mitocondriale. In celula hepatica, se modifica numarul de lizozomi, crescand sau scazand functie de parametrii radiatiei.

Tabel. 4 Efectele propagarii ultrasunetelor in sistemele biologice

Sistemul biologic	Parametri de expunere la ultrasunete			Efecte observate
	frecventa (MHz)	intensitate (W/cm2)	timp de iradiere
eritrocite umane		(unda continua)	5 - 30 min	cresterea permeabilitatii membranei la ioni de potasiu
eritrocite sobolan			10 -140 s	hemoliza
limfocite umane		2 (impulsuri)	7.5 - 80 min Analiza: Slabim cu fructe uscate? - precautie si sfatul medicului Eseu: Martini - cocktail facut traditional din gin si vermut alb sec	cresterea frecventei modificarilor de diviziune longitudinala a cromozomilor
			30 min	stimulare vitezei de sinteza a proteinelor. Distrugerea formatiunilor microtubulare
			30 min	micsorarea vitezei de sinteza a proteinelor
Fibroblaste umane		0.5 (impulsuri)	60 min	dilatarea reticulului endoplasmatic, deteriorarea mitocondriilor si a membranelor liposomale
molecule de ADN		0.2 - 0.4 (unda continua)	3 min	degradare
Bacili tuberculosi			5 min	crestere si dezvoltare
			60 - 120 min	distrugerea membranei celulare
bacili piocianici			30 min	distrugere completa
embrion de sobolan		10 - 100 (unda continua)	5 min (in uter, a 15-a zi de gestatie)	dezvoltare intarziata a reflexului neuromotor al noilor nascuti
ureche umana		50 - 200 (impulsuri focalizate)	durata impulsului 1ms	acufene
subiecti umani		ultrasunete generate in aer (presiune acustica 150 dB)	5 min expunere profesionala	deplasare temporara de prag in perceptia auditiva
		ultrasunete generate in aer (presiune acustica 2 - 3 dB)	expunere profesionala	reducerea perceptiei la vibratii a mainii
		ultrasunete generate in aer (110 dB)	expunere profesionala	cresterea glicemiei, dezechilibru ionic in tesuturile nervoase, perturbarea activitatii sistemului nervos simpatic si a glandelor suprarenale

La nivel de organism, ultrasunetele au efect letal asupra larvelor de tantari, pestilor, broastelor. La animalele superioare creste contractilitatea musculara, datorita formarii, in urma microdistrugerilor, a unor produsi excitanti. In functie de intensitate, se modifica undele P, Q si T ale electrocardiogramei, se produc extrasistole si bradicardie.

S-a pus problema efectelor asupra personalului care lucreaza in vecinatatea unor instalatii de ultrasunete. S-au observat, la frecvente de 16-25 kHz si intensitati de peste 100 dB, o serie de manifestari neurovegetative, cum ar fi: perturbarea functiei glandei suprarenale, a proceselor de termoreglare, tulburari psihice (halucinatii), tulburari de echilibru, bulimie.

3 Efectele actiunii ultrasunetelor la nivelul diverselor tesuturi.

S-au efectuat numeroase alte experimente urmarind efectele destructive ale ultrasunetelor asupra tesuturilor hepatice si ale tesuturilor cerebrale. S-a constatat astfel ca distrugeri de tesuturi si leziuni se obtin la intensitati foarte mari (200-1000 W/cm²), fenomen ce este utilizat la distrugerea intentionata a structurilor profunde ale organismului (chirurgie prin ultrasunete).

Energia sonora este absorbita de tesuturile biologice si transformata in energie termica. Coeficientul de absorbtie depinde de natura tesutului pe de o parte, si de intensitatea si frecventa ultrasunetelor, pe de alta parte.

Tabelul nr. 5 prezinta cateva valori ale coeficientului de absorbtie pentru diferitele tesuturi, corespunzator diferitelor frecvente ale undelor ultrasonice.

Tabel nr. 5 Coeficientul de absorbtie pentru diferite tesuturi

De asemenea, cresterea temperaturii tesuturilor va fi mai importanta, cu cat circulatia sanguina este mai scazuta in tesutul respectiv.

Cresterea temperaturii este mai insemnata pentru tesutul osos, care are coeficient de absorbtie mare, decat pentru tesutul muscular. Numeroasele experimentari au dovedit aparitia fenomenelor termice sub influenta ultrasunetelor cu intensitati peste 1 W/cm². Efecetele termice locale ale radiatiilor sonore sunt relevate si de semne morfologice.

Ultrasunetele coaguleaza cromozomii celulelor tumorale atat in vitro cat si in vivo, obtinandu-se efecte asemanatoare cu ale tratamentului prin hipertermie.

La nivel leucocitar, ultrasunetele determina stergerea conturului celular, iar citoplasma isi pierde structura devenind opalescenta.

La nivelul hematiei ultrasunetele determina hemoliza.

Pulsurile de ultrasunete focalizate stimuleaza structurile neuronale. Aplicatii ale acestei metode in fiziologie pentru cercetari de perceptie somatosenzitiva si de asemeni in medicina clinica pentru diagnosticul afectiunilor neurologice si dermatologice demonstreaza modificari in perceperea senzatiilor fata de normal. Ipoteza este ca factorul ce determina modificari de percepere somatosenzitiva la aplicarea ultrasunetelor focalizate ca stimul nervos este exclusiv mecanic. Efectul mecanic produce o schimbare in potentialul membranar rezultand stimularea structurilor nervoase care se manifesta ca senzatii tactile, termice si dureroase (17). Pulsurile scurte de ultrasunete focalizate stimuleaza structuri nervoase superficiale determinand diferite reactii somatosenzitive incluzand in particular si senzatia de durere (13). Aceasta actiune fiind exclusiv mecanica, aplicarea pulsurilor scurte de ultrasunete focalizate poate fi utilizata in cercetari fiziologice ale durerii.

Ultrasunetele cresc permeabilitatea membranei celulare. Studii efectuate pe membranele bacteriilor gram negative au demonstrat ca rezistenta acestor bacterii la antibioticele hidrofobice este cauzata de o permeabilitate scazuta membranara. Aceasta rezistenta poate fi redusa printr-o aplicare simultana a antibioticelor si ultrasunetelor. Ipoteza a fost confirmata pentru Pseudomonas aeruginosa expusa la eritromicina.

La nivel tegumentar, sub actiunea ultrasunetelor are loc o eliberare masiva de mastocite cu producere consecutiva de histamina; creste permeabilitatea celulelor tegumentare, ceea ce duce la difuzarea prin piele a unor substante aplicate local.

In tesutul conjunctiv, sub actiunea ultrasunetelor, are loc vasodilatatie cu hiperemie consecutiva, si deasemeni, procese fibrinolitice. Ultrasunetele stimuleaza sinteza colagenului ca raspuns la distrugerea matricii tisulare in tendon stimuland si diviziunea celulara in perioada proliferarii rapide.

Aplicarea ultrasunetelor pe tesutul osos la doze mici duce la formarea de osteofite, iar la doze mari, edeme hemoragice. In sange scade proteinemia totala prin scaderea albuminelor si a-globulinelor, coagularea sanguina prezinta tendinta de incetinire.

Cercetarile mai multor autori ajung la concluzia ca in domeniul intensitatii de 0,1 - 0,4 W/cm² se produc modificari tisulare minime si reversibile, intre 0,5 - 0,7 W/cm² se instaleaza efecte fizico-chimice si biologice maxime, reversibile, iar peste 0,8 W/cm² apar modificari ireversibile.

Efectele mecanice si chimice ce pot surveni sub actiunea ultrasunetelor se datoreaza aparitiei fenomenului de cavitatie. Atunci cand intensitatea ultrasonora este foarte mare structurile celulare citoplasmatice si nucleare sunt distruse, moleculele mari sunt disociate, in lichid apare un fenomen de cavitatie prin "destramare".

Efectele actiunii ultrasunetelor asupra tumorilor.

Ultrasunetele de inalta frecventa localizate determina ablatia celulelor tumorale. Acest lucru depinde de numarul de pulsuri aplicate. Viabilitatea celulelor scade exponential cu cresterea numarului de pulsuri si rata de repetitie a lor, minimum la 1 Hz. Ultrasonografia focalizata de inalta frecventa este o tehnica chirurgicala neinvaziva prin care energia ultrasonica este transmisa transcutanat pe o arie bine definita in organism. Pentru ablatia tesuturilor tumorale utilizand ultrasunete focalizate de inalta frecventa este necesar a iradia tumora de jur imprejur intr-o singura expunere. Expunerea repetata, diferentiata spatial determina asa numitul fenomen de "interactie leziune la leziune". Aceasta interactiune depinde de intensitatea ultrasunetelor si de durata de expunere.

Aplicarea ultrasunetelor focalizate de inalta frecventa in tratamentul cancerului necesita ablatia totala a volumului tumoral. Pentru a realiza acest lucru este necesara aplicarea ultrasunetului de inalta frecventa focalizat pe o arie care sa cuprinda leziunea si tesutul inconjurator.

Efectele actiunii ultrasunetelor asupra personalului care lucreaza in vecinatatea unori instalatii de ultrasunete.

Literatura de specialitate arata ca s-a acumulat deja o expe­rienta insemnata si variata de folosire a ultrasunetelor de inalta frec­venta (peste 300 kHz) care actioneaza asupra diverselor medii, in special prin metoda de contact. Datele referitoare la efectele biologice ale vi­bratiilor ultrasonice de frecventa cuprinsa intre 300-700 kHz, sint in­suficiente. Domeniul care a fost intens studiat, cuprinde efectele ultrasu­netelor de frecventa 800~2 400 kHz. Insa aplicarea din ce in ce mai larga a ultrasunetelor cu frecventa joasa, sub 100 kHz, in tehnica (per­forare, slefuire, curatire, sudare etc.), ca si mereu mai frecvente utilizare a mecanismelor si instalatiilor care sint si surse de ultrasunete (turbine de mare turatie, reactoare etc.) pun alte probleme din punctul de vedere al actiunii sale biologice.

Noutatea acestor probleme se datoreste faptului ca, in aceste cazuri, sistemele vii sint supuse actiunii directe a parametrilor fizici ai ultrasu­netelor prin intermediul aerului atmosferic.

In aceste conditii ultrasunetele de joasa frecventa.au citeva parti­cularitati fata de cele de inalta frecventa. Se deosebeste si gradul de absorbtie si de difuziune ale ultrasunetelor de joasa frec­venta de cea de inalta frecventa.

Din tabelul 6 rezulta ca gradul de absorbtie a ultrasunetului cu frec­venta de

l000 kHz este de 2000-2500 ori mai mare, iar gradul de di­fuziune este de atitea ori mai mic decit al ultrasunetelor de 20 kHz.

Tabelul 6. Distanta de propagare a ultrasunetelor de diferite frecvente in apa si aer

De aici rezulta ca daca pentru ultrasunetul de inalta frecventa me­diul aerian este o bariera practic de nepatruns, ultrasunetele cu frecventa joasa se pot propaga in aer la distante considerabile. Fenomene similare au loc si in propagare in mediul acvatic. Legate de aceste particularitati de propagare si de difuziune ale ultrasunetului de frecventa joasa, apar particularitati si in studierea actiunii sale biologice. De exemplu, in timp ce se impune cercetarea efectelor ultrasunetelor de inalta frecventa la distanta mica de sursa (propagare prin contact), se va cerceta actiunea la distanta a vibratiilor de joasa frecventa. In al doilea rind, daca pentru oscilatii de inalta frecventa este caracteristica actiunea locala, in special, in ordinea atingerii sursei ultrasonore cu o anumita parte a corpului sau a unui organ, ultrasunetelor de joasa frecventa le sint caracteristice actiuni generale, dar nu se inlatura insa si actiunea locala a acestora.

Determinarile arata ca vibratiile ultrasonore de joasa frecventa ac­tioneaza intens asupra partilor neacoperite (fata, miini) ale corpului. Im­bracamintea depinde insa de particularitatile mediului industrial, de ano­timp si de aceea valoarea ei de ecranare este tranzitorie pentru diferitele parti ale corpului.

Primele observatii referitoare la efectele ultrasunetelor de joasa frec­venta, semnaleaza modificari survenite in sistemul neuro-endocrin, de aspect neuro vegetativ cu devieri semnificative in functiile hipofizei si ale glandei tiroide. S-a constatat perturbarea functiei glandei suprare­nale, sexuale si proceselor termoregulatoare, afectarea aparatului vestibular, la fel si devieri in sistemul cardio-vascular, modificari in compozi­tia singelui periferic.

La persoanele supuse actiunii ultrasunetelor timp de citeva ore la intensitatea 110-130 dB si 16-25 kHz, in raport cu specificul locului de munca, s-a constatat perturbarea proceselor fiziologice intregului organism si a sistemului nervos central. Modificarea caracteristica este sindromul astenic si asteno-vegetativ, cu unele semne de particularitate : halucinatii, frica obsedanta cu obiect precizat, senzatia de imponderabilitate, senza­tia de foame exagerata (bulimie), in unele .cazuri, inapetenta in altele, fobie nocturna si somnambulisrn.

Ca efecte ale ultrasunetelor de mica intensitate (sub 110 dB) este semnalata indispozitia, dereglarea usoara a simtului echilibrului, senzatia de oboseala excesiva.

Efectele ultrasunetelor de joasa frecventa sint amplificate daca pe linga vibratii ultrasonore "pure' mediul este "poluat' de zgomote din gama de frecvente auzibile. Efectele se manifesta prin dureri de cap, gre­turi dimineata, alterarea auzului, zgomot in ureche, nesiguranta in mers, surmenaj la sfirsitul zilei de lucru, dureri in tot corpul.

Foarte caracteristic este faptul ca la persoane expuse, la locul de munca, unui fascicul ultrasonic de 115 dB si frecventa 16-20 kHz, din primele minute "se blocheaza' urechile, similar cu schimbul de altitudine cu avionul, in unele cazuri se mai semnaleaza acrocianoza, transpiratia miinilor, racirea extremitatilor, dupa pornirea instalatiei de iradiere cu ultrasunete.

Asa cum s-a mai amintit, energia cimpului ultrasonor influenteaza procesul de termoreglare a persoanelor care lucreaza citeva ore pe zi la instalatii ultrasonore.

Determinarile au aratat ca fasciculul ultrasonor modifica semnifica­tiv temperatura miinilor si a corpului in prezenta zgomotului. Aceasta ridicare a temperaturii variaza intre 0,5 si 0,7 ^oC, uneori cu l °C. La grupa de control aceasta ridicare a temperaturii nu depaseste 0,5°C in decursul orelor de lucru, in unele cazuri se constata o asimetrie termica a extre­mitatilor. Prin cresterea respiratiei tesuturilor se mareste sensibilitatea organismului asupra factorilor nocivi din mediul inconjurator (vapori toxici).

Numeroase cercetari semnaleaza modificari in sistemul cardio-vascular sub actiunea vibratiilor produse de instalatii de forta ultrasonora. Electrocardiogramele inregistrate evidentiaza micsorarea frecventei car­diace spre sfirsitul zilei de lucru, in unele cazuri este semnalata pertur­barea conducerii intraatriale, ca si cresterea peste proportia normala a cifrei eozinofilelor in singele periferic.

Ultrasunetele de joasa frecventa determina schimbari biochimice in organismul iradiat, manifestate indeosebi prin modificarea glicemiei, saturarea vitaminica a organismului. Determinarile arata ca circa 55 % din personalul expus prezinta hipoglicemie. in urma ingerarii unei cantitati de zahar, cu 10 minute inaintea iradierii organis­mului, frecventa cardiaca si respiratia sint mai putin afectate. Se considera utila aplicarea unui "dejun terapeutic cu glucoza' intr-o doza oare pro­voaca o hiperglicemie usoara. Studiile referitoare la actiunea ultrasunetelor de joasa frecventa (sub 100 kHz) trebuie sa urmareasca efectele acestora asupra organului audi­tiv, problema care nu se pune la ultrasunetele de inalta frecventa (actiu­nea prin contact). Astfel de efecte nu se constata  in urma utilizarii a aparatelor medicale!