Приведем еще пример. Для непрерывного облучения мозга лягушки в течение 30 с ультразвуком частотой 2.5 МГц безопасная интенсивность ультразвука, т. е. не вызывающая деструктивных изменений, составляет около 100 Вт/см2 (интенсивность осреднена по площади фокальной области). В импульсном режиме облучения (длительность прямоугольных импульсов ультразвука 1 мс, частота их следования — 500 в секунду) аналогичная интенсивность — уже порядка 800 Вт/см2. Суммарная энергия, введенная в организм, в 4 раза больше во втором случае, чем в первом. Пример демонстрирует существенное значение распределения ультразвуковой энергии во времени.
В наших опытах минимальная интенсивность амплитудно-модулированного ультразвука, вызывающего у человека слуховое ощущение, была принята за пороговую; при этом максимальная интенсивность, которая использовалась в экспериментах, составляла около 60 дБ над порогом. При этом случае появлялось ощущение тепла на месте контакта акустически прозрачной полиэтиленовой пленки с кожей головы. Максимальная интенсивность (в дБ) рассчитывалась как 20 lg In/I0, где In — максимальная интенсивность ультразвука (Вт/см2), I0 — пороговая интенсивность (Вт/см2). Аналогичный расчет был использован при воздействии на ушной лабиринт травяной лягушки одиночными стимулами фокусированного ультразвука длительностью 1 мс. Эти опыты показали, что в интервале около 35—40 дБ над порогом обнаружения ответной электрической реакции в слуховых центрах среднего мозга амплитуда ответа возрастает пропорционально увеличению интенсивности стимула, как это имеет место и при ответах на звук. При интенсивности 40—50 дБ амплитуда ответов на ультразвук растет быстрее, чем на звук, рост ее относительно замедляется при интенсивности ультразвука от 50 до 55 дБ. При интенсивности ультразвука выше 55 дБ амплитуда ответа начинает уменьшаться, в ушном лабиринте появляются морфологические изменения, приобретающие по мере дальнейшего увеличения интенсивности характер деструктивных.
Экспериментальные данные, полученные на животных, подтверждаются в наблюдениях у здоровых людей, когда испытуемые устанавливали равную громкость ощущений при воздействии на одно ухо звуком, а на другое — ультразвуком, модулированным по амплитуде аналогичным звуковым сигналом. Приблизительно до уровня 30—35 дБ относительно слухового порога для ощущения равной громкости требовалось одинаковое надпороговое увеличение интенсивности ультразвука и звука. В диапазоне 35—50 дБ для равной громкости требовалось более значительное увеличение интенсивности звука.
Сопоставление результатов исследований, проведенных на лягушке и человеке, при учете различий объектов и методики исследования, тем не менее указывает на качественную и даже количественную однотипность результатов. Действительно, в определенном надпороговом интервале интенсивностей ультразвука величина ответной реакции (амплитуды электрического ответа из слуховых центров среднего мозга — у животного и ощущения равной громкости — у человека) закономерно связана с интенсивностью. За пределами этого интервала закономерность связи нарушается. Если сравнить динамический диапазон интенсивностей у лягушки и человека, в котором отмечены закономерные связи, он оказывается больше у лягушки (около 55—60 дБ), чем у человека (около 50 дБ). Основную причину указанных различий усматривают в том, что у человека использовали амплитудно-модулированный ультразвук, а для животных — импульсный. Как уже указывалось, при импульсном режиме общую ультразвуковую энергию и интенсивность отдельных импульсов можно увеличить в несколько раз по сравнению с непрерывным облучением, а также с облучением при амплитудной модуляции.
Приведенные примеры подтверждают, что установить определенный режим воздействия необходимо как по соображениям безопасности, так и для достижения тех или иных функциональных эффектов.
Глава 3. Ультразвук как раздражитель органов чувств
Исследования, выполненные рядом научных и клинических учреждений, продемонстрировали возможность активировать фокусированным ультразвуком различные рецепторные системы. У человека ультразвуковые воздействия вызывали весь набор ощущений, связанный с естественной активацией периферического аппарата соматосенсорной системы: тактильные, болевые, ощущения вибрации, тепла, холода, щекотки, зуда. С помощью ультразвуковых воздействий возникали также слуховые и вкусовые ощущения. Электрофизиологическими методиками получены ответы при действии фокусированного ультразвука на рецепторный аппарат равновесия (статоцист) моллюсков, на электрорецепторную систему рыб, на слуховую систему лягушки.
Тактильная чувствительность
Если совмещать центр фокальной области излучателя ультразвука с чувствительными точками на коже человека, то действием ультразвука можно вызвать тактильные ощущения. В зависимости от интенсивности и длительности стимулов человек характеризует ощущения как легкое прикосновение, наподобие прикосновения маленькой кисточкой, слабый локальный толчок, удар капельки воды и так далее.
Еще с конца прошлого века благодаря исследованиям М. Бликса, М. Фрея и других ученых известно, что чувствительность кожи дискретна, т. е. существуют чувствительные места и нечувствительные, «слепые». Действие неразрушающих стимулов на такие слепые места не вызывает ощущений. Только при разрушении тканей возникает боль в области, размер которой значительно обширнее, чем место воздействия. Диаметр отдельных чувствительных мест может быть очень мал. Именно поэтому их называют чувствительными точками.
На коже кисти чувствительные точки расположены очень плотно по всей поверхности. На предплечье и плече плотность уменьшается. Ощущения в ответ на действие ультразвука появляются здесь лишь в том случае, если фокальная область попадет в чувствительную точку. В соседних, «слепых» точках, где нет рецепторных структур, ультразвук не вызывает ощущений, за исключением разлитой боли, возникающей при определенных режимах воздействия.
Когда используют стимулы фокусированного ультразвука длительностью приблизительно до 25 мс, возникает одиночное тактильное ощущение. При большей длительности появляются два ощущения, соответствующие началу и концу стимула. В опытах с применением ультразвуковых частот в диапазоне 0.47—2.67 мГц величина порога ощущения не зависит от частоты ультразвука как таковой, а связана с амплитудой смещения среды в фокальной области. Как только достигается необходимая величина амплитуды смещения тканей в области воздействия порядка 0.05—0.1 мкм, возникает пороговое тактильное ощущение. Не следует, однако, забывать, что колебательное смещение частиц среды происходит с частотой ультразвука. Казалось бы, возникает противоречие: пороги не зависят от частоты ультразвука, но в то же время измеряются амплитудой знакопеременного смещения, частота которого соответствует частоте ультразвуковых колебаний. Однако уже отмечалось, что ощущение вызывается только короткими ультразвуковыми стимулами, а при их удлинении возникают два ощущения, отмечающие начало и конец стимула. Следовательно, ощущения соответствуют переднему и заднему фронтам стимулов. Тогда понятно, почему величина порога не зависит от частоты ультразвука. Совершенно неважно, какой будет частота «заполнения» стимула, если ответная реакция возникает только на его начало и конец.
В физиологии органов чувств есть понятие об оптимальной частоте стимуляции. В зоне оптимальной частоты порог реакции наименьший, диапазон интенсивности и способность к различению наибольшая. В нашем случае это не частота ультразвука, а частота следования ультразвуковых стимулов, при которой пороги тактильного ощущения будут наименьшими. Для тактильной рецепции такая частота — около 250 Гц. Если стимулы будут следовать друг за другом чаще, пороги тактильных ощущений повышаются, а при частоте следования выше 700 импульсов в секунду тактильные ощущения вызвать не удается. Такая закономерность существует не только для ультразвуковых стимулов, но для любых ритмических механических воздействий на кожу, например с помощью вибратора. Становится ясно, почему тактильные пороги не связаны с частотой ультразвука: физиологический предел срабатывания кожных рецепторных структур — около 700 Гц, а частота ультразвука на три порядка выше.