Инна Вартанян - Коснуться невидимого, услышать неслышимое

Работы по применению фокусированного ультразвука для создания в глубинных структурах головного мозга разрушений заданного размера были начаты еще в начале 50-х годов в США и до настоящего времени привлекают внимание биологов, а также специалистов в области нейрофизиологии и нейрохирургии.

Создание ограниченных очагов деструкции в строго определенных зонах мозга является одним из методов изучения роли различных отделов в осуществлении связанных с их деятельностью функций. Кроме того, метод локального разрушения широко принят при исследовании структурных, нейроанатомических связей различных отделов мозга. Обычно применяемые методы разрушения включают арсенал различных повреждающих агентов: механическое разрушение или удаление участков нервной ткани, термокоагуляция, электролитическое повреждение, химические и электрохимические воздействия. Все перечисленные выше методы как непременный компонент включают травму окружающих тканей, в особенности, если речь идет не о поверхностно расположенных, а о глубинных структурах мозга, доступ к которым осуществляется обычно через ряд образований мозга.

Именно поэтому с самого начала исследований с использованием фокусированного ультразвука возможность его применения без травмы окружающих участков представлялась весьма заманчивой. Действительно, максимальная концентрация энергии в центре фокальной области сопровождается почти полным спадом ее по краям этой области. Следовательно, если выяснить минимальные повреждающие дозы облучения, можно предсказать, какие эффекты можно ожидать при больших дозах, вызывающих повреждения большего объема в пределах фокальной зоны, т. е. связать интенсивность облучения с величиной и конфигурацией разрушенного участка ткани.

Когда имеются в виду глубокие структуры организма, не отделенные от внешней среды костной тканью, то проблема воздействия фокусированным ультразвуком на такие структуры решается относительно просто. В условиях использования координатных систем точно вычисляются области и объем облученных участков ткани. Опыт такого рода оказался весьма успешным при ультразвуковом разрушении злокачественных опухолей, при облучении опухолей совместно с рентгенотерапией — с целью повышения противоопухолевой активности ионизирующих излучений и химиотерапевтических препаратов.

При рассмотрении возможностей разрушения глубоких структур мозга в первую очередь возникают проблемы различного акустического сопротивления костей черепа и тканей мозга (белое и серое вещество). Основная опасность состоит в том, что расчетные дозы облучения, равно как и само место облучения могут не соответствовать реально необходимым, поскольку высокое поглощение и расфокусировка ультразвука при прохождении через кость искажают расчеты. Именно поэтому до последнего времени принято было считать, что необходимым условием проведения ультразвуковых нейрохирургических операций является создание в черепе обширных трепанационных отверстий.

Однако специальные исследования последних лет показали, что облучение через неповрежденные кости черепа принципиально возможно без существенного искажения ультразвукового поля при соблюдении ряда условий. Одним из основных условий является облучение через участки кости, характеризующиеся равномерной толщиной и постоянным радиусом кривизны. Центр кривизны кости, через которую проводится облучение, должен совпадать с осью симметрии излучателя. Наилучшие условия создаются, если к этому добавляется расположение цели облучения в центре кривизны облучаемого участка. В одном из опытов при прохождении ультразвукового пучка в акустически прозрачной среде — воде — и через кость черепа смещения фокальной области от расчетного положения составляли величины, не превышавшие 1—1.5 мм, что вполне допустимо при нейрохирургических вмешательствах. Измерения коэффициента поглощения ультразвука в костях черепа человека при условиях, исключающих попадание воздуха в губчатый слой кости, показали величины порядка 8—10 дБ/см при частоте ультразвука 1 МГц.

В опытах на животных, когда соблюдались все условия неискаженного прохождения ультразвука, были получены локальные разрушения глубоких структур мозга, совпадающие по объему с расчетными, без изменений в тканях по ходу прохождения ультразвукового пучка. Из всего сказанного ясно, что оценить приемлемость метода ультразвуковой хирургии мозга можно лишь на основе дальнейших экспериментально-физиологических, нейроморфологических и функциональных исследований.

На сегодняшний день можно с уверенностью сказать, что исследование глубоких структур мозга с применением фокусированного ультразвука приводит к достоверным и воспроизводимым результатам лишь в том случае, если на пути фокусированного ультразвукового пучка удалена кость. Именно в таких условиях были определены значения порогов ультразвуковых доз, создающих начальные гистологически наблюдаемые изменения в центре фокальной области. Установлено, что при равных ультразвуковых дозах размеры разрушений в сером веществе головного мозга значительно меньше, чем в белом. Это определяется неодинаковой чувствительностью серого и белого веществ к воздействию ультразвуком: для серого вещества эти дозы вдвое больше, чем для белого. Различия обусловливаются, вероятно, неодинаковыми теплофизическими свойствами этих тканей. Коэффициент поглощения ультразвука в белом веществе головного мозга, например, в 1.5 раза больше, чем в сером. А это значит, что степень нагревания белого вещества и соответственно вероятность его разрушения под воздействием теплового фактора здесь существенно выше.

Согласно распространенной точке зрения, разрушающее воздействие фокусированного ультразвука определяется рядом факторов: его тепловым, механическим и физико-химическим действием, в ряде случаев, по-видимому, смешанным воздействием нескольких этих факторов, а также зависит от режима воздействия — интенсивности, длительности, частоты повторения и т. д. Выявление конкретных причин разрушающего действия фокусированного ультразвука имеет существенное значение и определенный практический интерес.

Для чисто теплового действия характерно, что разрушения соответствуют по форме и равны или меньше фокальной области. Они также должны хорошо воспроизводиться в тех структурах мозга, теплофизические свойства которых близки между собой. Механическое кавитационное действие фокусированного ультразвука, требующее значительно больших интенсивностей, вызывает разрывы в «слабых точках», распределение которых в облучаемых структурах мозга неизвестно и в определенной мере непредсказуемо даже на основании оценки структуры области. Такие механические разрушения не соответствуют форме и величине фокальной области.