Звук с температурой в тысячи градусов

Игорь Иванов

• Свечение, порожденное звуком
• Эксперимент и еще раз эксперимент!
• Лаборатория экстра-класса для химика и материаловеда
• Сонолюминесценция в медицине: диагностический прибор и скальпель
• «Нам не дано предугадать...»

Сонолюминесценция в медицине: диагностический прибор и скальпель

Наконец, в недалеком будущем сонолюминесценция может найти применения и в медицине. Современная медицина уже взяла на вооружение многие открытия физики XX века. Лазерная микрохирургия, резонансная ядерная томография, адаптация детекторов элементарных частиц для флюорографии, лечение злокачественных образований пучками высокоэнергетических протонов — всё это уже есть в арсенале медиков.

Почти наверняка в этом списке найдется место и сонолюминесценции. В принципе, сонолюминесценция уже используется как метод визуализации кавитации, в том числе и в медицинских приложениях. Известно, например, что кавитация является важным фактором, приводящим к деградации искусственных органов, испытывающих импульсные механические нагрузки. В 2003 году исследователям из Токийского университета удалось использовать сонолюминесценцию для визуализации наиболее кавитационно уязвимых областей искусственного сердца (pdf, 1 Mб).

Однако наиболее многообещающим кажется использование сонолюминесценции непосредственно внутри организма. Действительно, с точки зрения медика этот процесс представляет собой нехирургический, неионизирующий, легко контролируемый и потенциально очень точный способ воздействия на внутренность живого организма: ведь размеры пузырька — доли миллиметра, а длительность воздействия может составлять доли миллисекунды. Несомненно, удачным стечением обстоятельств является и то, что живые организмы по большей части состоят из воды: ведь именно в воде сонолюминесцентный свет наиболее ярок.

Можно представить себе как диагностическое (томографическое), так и терапевтическое воздействие сонолюминесценции на организм. Для томографии мягких, полупрозрачных тканей ультразвуковая волна должна фокусироваться в требуемую точку мягких тканей организма, порождая там светящийся кавитационный пузырек. Датчик регистрирует это свечение, анализирует его спектр и выделяет отдельные линии излучения, проводя, таким образом, химический анализ заданной точки живого организма.

Фотография живой мыши при тусклом освещении в оптическом диапазоне (a) и в «лучах сонолюминесцентного света» (b). Препарат, введенный подкожно в точке, помеченной крестиком, диффундировал в мягких тканях верхней части тела мыши. Область диффузии отчетливо видна на фотографии (b) (изображение с сайта www.iop.org)

Необходимо подчеркнуть, что исследования в этом направлении уже начаты. В 1998 году физики из Техасского университета К. Шенг и Л. Ванг впервые экспериментально доказали, что сонолюминесцентная томография действительно позволяет «заглянуть» внутрь мягких полупрозрачных материалов. В 2002 году группа китайских и японских исследователей успешно опробовала эту методику и на живых мышах. Полученные исследователями изображения позволяли не только видеть мышь в «сонолюминесцентном свете», но и надежно распознавать отдельные мягкие ткани (печень, мышечную, жировую ткани), а также отслеживать распространение по организму введенного вещества, усиливавшего сонолюминесцентное свечение. Авторы подчеркивают, что все мыши успешно пережили эксперимент.

При терапевтическом воздействии сонолюминесценция будет выступать в роли «точечного скальпеля», причем гораздо более многопрофильного, чем применяемый ныне «ультразвуковой резак». Сонолюминесценция сможет не только точечно разрушать злокачественные образования, но и проводить химические реакции в заданном месте организма. Представляется вполне вероятным, что в клинике будущего пациент будет получать препарат, содержащий нанокапсулы (например, углеродные нанотрубки) с биоактивными реагентами, которые в «запаянном» состоянии безопасны для организма. Препарат рассасывается по организму, сонолюминесценция раскрывает капсулы и в заданной точке организма и в течение заданного промежутка времени проводит химическую реакцию.

Конечно, бросаются в глаза и биологически вредные аспекты сонолюминесцентного воздействия, начиная от механического и теплового вмешательства в организм и заканчивая образованием свободных радикалов. Безусловно, потребуется подробнейшее исследование того, можно ли их снизить до приемлемого уровня. Однако физические характеристики нового потенциального медицинского инструмента столь впечатляющи, что развитию таких методик, по-видимому, будет посвящено в ближайшие годы немало работ.