Использование ультразвука в медицине
Использование ультразвука низкой интенсивности в медицине
Научные эксперименты с ультразвуком в медицине и биологии начались еще в
1927 году с наблюдений над внутриклеточной вибрацией, нагреванием и клеточным
лизисом [1].
Первое практическое медицинское применение ультразвука датируют 1950-ми годами. Ультразвук использовали в качестве терапевтического средства, в основном в качестве способа стимуляции регенерации мягких тканей при лечении ран, повреждении связок, воспалении сухожилий, болезненности и раздражениях. Медицинское оборудование для лечения ультразвуком, как правило, воздействует ультразвуком в диапазоне 1-3 МГц, с интенсивностью от 100 мВт/см2 до 3 Вт/см2.
Очередной крупный прорыв этой области медицины произошел в 60-х годах прошлого века, вместе с разработкой новых, более утонченных диагностических инструментов. Прогресс был вызван обретенной возможностью визуализировать мягкие ткани без использования ионизирующего рентгеновского излучения. Технология получения изображения с помощью ультразвука использует более высокие частоты (1,75 – 6 МГц), но сравнительно низкой интенсивности (1-50 мВт/см2), которые специально подобраны таким образом, чтобы избежать нагревания тканей и в безопасном режиме просматривать ткани и органы, включая исследование плода при беременности. Когда безопасность этой технологии была доказана и общепризнана [17], аппараты УЗИ получили широкое распространение во всем мире.
Миниатюризация электроники и усовершенствование технологии микропроцессоров в 1980-х годах открыло дорогу дальнейшим экспериментам с ультразвуком высокой частоты и низкой интенсивности в медицинских сферах, особенно в сферах лечения костных структур и тканей.
Первое практическое медицинское применение ультразвука датируют 1950-ми годами. Ультразвук использовали в качестве терапевтического средства, в основном в качестве способа стимуляции регенерации мягких тканей при лечении ран, повреждении связок, воспалении сухожилий, болезненности и раздражениях. Медицинское оборудование для лечения ультразвуком, как правило, воздействует ультразвуком в диапазоне 1-3 МГц, с интенсивностью от 100 мВт/см2 до 3 Вт/см2.
Очередной крупный прорыв этой области медицины произошел в 60-х годах прошлого века, вместе с разработкой новых, более утонченных диагностических инструментов. Прогресс был вызван обретенной возможностью визуализировать мягкие ткани без использования ионизирующего рентгеновского излучения. Технология получения изображения с помощью ультразвука использует более высокие частоты (1,75 – 6 МГц), но сравнительно низкой интенсивности (1-50 мВт/см2), которые специально подобраны таким образом, чтобы избежать нагревания тканей и в безопасном режиме просматривать ткани и органы, включая исследование плода при беременности. Когда безопасность этой технологии была доказана и общепризнана [17], аппараты УЗИ получили широкое распространение во всем мире.
Миниатюризация электроники и усовершенствование технологии микропроцессоров в 1980-х годах открыло дорогу дальнейшим экспериментам с ультразвуком высокой частоты и низкой интенсивности в медицинских сферах, особенно в сферах лечения костных структур и тканей.
Лечение костей ультразвуком
Одним из первых эксперименты в области лечения ультразвуком проводил доктор Л. Р. Дуарте в Университете Сан-Паулу, в Бразилии. В 1983 году он установил, что ежедневное применение ультразвука частотой в 1,6 МГц, даже самой малой интенсивности, значительно ускоряет заживление переломов костей, особенно в течение первых 10-12 дней лечения [2].
Различные испытания, проведенные на животных, подтвердили правоту Дуарте. Испытания на животных [3] показали, что ультразвук повышает скорость восстановления механической прочности костей. Рассеченная кость, при лечении которой применялся ультразвук, восстановила свою здоровую прочность приблизительно в 1,7 раз быстрее такой же рассеченной кости на другой конечности, которая не подвергалась лечению ультразвуком. Доктор Шу-Чжи Вонг также подтвердил, что применение ультразвука частотой в 1,5 МГц ускоряет заживление переломов за 21 день [4].
А.А. Пилла из нью-йоркской Медицинской школы "Маунт-Сайнай" занимался исследованием дозозависимого эффекта применения ультразвука низкой интенсивности с частотой в 1,5 МГц на заживление рассечения кости у кроликов. В ходе своих экспериментов Пилла обнаружил, что ультразвук интенсивностью от 7,5 мВт/см2 до 45 мВт/см2 оказывает статистически заметный положительный эффект. Важно отметить здесь, что доктор Пилла также наблюдал заживление костей и за очень короткий период в 17 дней при использовании ультразвука интенсивностью всего в 1,5 мВт/см2, хотя данное улучшение и не было статистически значимым.
Крупномасштабное многоцентровое клиническое исследование, проведенное в медицинском научном Центре здоровья Сан-Антонио при Техасском университете, подтвердило эффективность ультразвукового лечения переломов костей у людей. В результате данного исследования ученые пришли к заключению о том, что двадцатиминутное ежедневное применение ультразвуковой терапии при лечении переломов костей ускоряет их заживление в среднем на 24,6 % [6].
В октябре 1994 года Управление по контролю за продуктами и лекарствами США одобрило первый прибор для ускоренного заживления переломов. Впоследствии компания "Exogen, Inc." начала продавать на рынке США прибор под названием "SHAFS".
Различные испытания, проведенные на животных, подтвердили правоту Дуарте. Испытания на животных [3] показали, что ультразвук повышает скорость восстановления механической прочности костей. Рассеченная кость, при лечении которой применялся ультразвук, восстановила свою здоровую прочность приблизительно в 1,7 раз быстрее такой же рассеченной кости на другой конечности, которая не подвергалась лечению ультразвуком. Доктор Шу-Чжи Вонг также подтвердил, что применение ультразвука частотой в 1,5 МГц ускоряет заживление переломов за 21 день [4].
А.А. Пилла из нью-йоркской Медицинской школы "Маунт-Сайнай" занимался исследованием дозозависимого эффекта применения ультразвука низкой интенсивности с частотой в 1,5 МГц на заживление рассечения кости у кроликов. В ходе своих экспериментов Пилла обнаружил, что ультразвук интенсивностью от 7,5 мВт/см2 до 45 мВт/см2 оказывает статистически заметный положительный эффект. Важно отметить здесь, что доктор Пилла также наблюдал заживление костей и за очень короткий период в 17 дней при использовании ультразвука интенсивностью всего в 1,5 мВт/см2, хотя данное улучшение и не было статистически значимым.
Крупномасштабное многоцентровое клиническое исследование, проведенное в медицинском научном Центре здоровья Сан-Антонио при Техасском университете, подтвердило эффективность ультразвукового лечения переломов костей у людей. В результате данного исследования ученые пришли к заключению о том, что двадцатиминутное ежедневное применение ультразвуковой терапии при лечении переломов костей ускоряет их заживление в среднем на 24,6 % [6].
В октябре 1994 года Управление по контролю за продуктами и лекарствами США одобрило первый прибор для ускоренного заживления переломов. Впоследствии компания "Exogen, Inc." начала продавать на рынке США прибор под названием "SHAFS".
Регенерация тканей и ангиогенез
Исследователи С.Р. Янг и М. Дайсон слывут ведущими специалистами в области заживления ран. Янг и Дайсон сосредоточили свои исследования на ультразвуке низкой интенсивности (100 мВт/см2) частотой 0,75 – 3,0 МГц.
Эти исследователи своими экспериментами демонстрируют, что ультразвук может ускорять заживление ран на ранних стадиях [8].
Дайсон, в частности, пришел к выводу: существуют веские основание полагать, что ультразвук может воздействовать на стягивание ран путем стимуляции центростремительного движения окружающих рану кожных покровов, вызывая, таким образом, заживление всего дефекта ткани в целом или его части.
Ангиогенез – развитие новых кровеносных сосудов или их восстановление – является жизненно важной частью процесса заживления ран, восстановления циркуляции крови на пораженном участке. Янг и Дайсон изучали также и этот эффект – воздействие ультразвука на ангиогенез. Они пришли к следующим выводам: "результаты настоящего исследования предполагают, что ультразвук может эффективно действовать на ранних стадиях процесса регенерации, то есть на этапе воспаления".
Эти исследователи своими экспериментами демонстрируют, что ультразвук может ускорять заживление ран на ранних стадиях [8].
Дайсон, в частности, пришел к выводу: существуют веские основание полагать, что ультразвук может воздействовать на стягивание ран путем стимуляции центростремительного движения окружающих рану кожных покровов, вызывая, таким образом, заживление всего дефекта ткани в целом или его части.
Ангиогенез – развитие новых кровеносных сосудов или их восстановление – является жизненно важной частью процесса заживления ран, восстановления циркуляции крови на пораженном участке. Янг и Дайсон изучали также и этот эффект – воздействие ультразвука на ангиогенез. Они пришли к следующим выводам: "результаты настоящего исследования предполагают, что ультразвук может эффективно действовать на ранних стадиях процесса регенерации, то есть на этапе воспаления".
Здоровье зубов
Самой актуальной проблемой в современной стоматологии является проблема предотвращения гингивита – воспаления десен. Довольно часто предотвращение этого заболевания невозможно по ряду причин, и в результате огромный процент людей во всем мире сегодня страдает от этой проблемы. Гингивит, выявленный на ранних стадиях, как правило, лечат антибиотиками. Однако, если гингивит вовремя не выявить, он может вызвать повреждение десен, поразить капиллярные сосуды десен. вследствие чего начинается формирование так называемых карманов, или полостей между деснами и корнями зубов. В этих карманах скапливаются болезнетворные бактерии, что впоследствии усиливает воспаление. На этой стадии гингивит переходит в периодонтит, заболевание, требующее хирургического вмешательства для уменьшения размера карманов на деснах. Если же периодонтит не лечить на ранних стадиях, он может привести к потере зубов и даже части челюстной кости.
Обзор существующих клинических исследований в области регенерации тканей и заживления костей дает основания полагать, что ультразвук низкой интенсивности может быть полезен для лечения гингивита (воспаления десен) и связанной с ним кровоточивости десен. В различных исследованиях были высказаны предположения о том, что, возможно, ультразвук может помочь уменьшить размер карманов на деснах, помочь заживлению капилляров и даже помочь в заживлении костей, как в случаях, описанных выше. Поскольку ультразвук интенсивностью ниже 100 мВт/см2 доказал свою полную безопасность [17], возникла идея о том, что идеальным прибором для лечения гингивита может быть именно зубная щетка, которая позволит применять такой способ воздействия ультразвука. Воплощение принципов работы ультразвукового прибора в зубной щетке позволило сделать ежедневное лечение тканей ротовой полости ультразвуком простым и не обременительным заданием для пользователей. Дополнительным преимуществом такой зубной щетки является возможность профилактики гингивита.
С целью изучения возможностей использования ультразвука в стоматологии в 1991 году была создана корпорация " Sonex International". И уже первая, экспериментальная модель ультразвуковой щетки доказала, что применение ультразвука низкой интенсивности частотой в 1,6 МГц, как ранее и предполагалось в различной научной литературе, действительно имеет выраженный положительный эффект в виде уменьшения воспаления десен. Значительное преимущество ультразвуковых щеток в отношении устранения зубного налета также было очевидным по сравнению с аналогичными не ультразвуковыми моделями. В декабре 1992 года Корпорация "Sonex International" получила от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США разрешение на продажу своей продукции – ультразвуковых зубных щеток.
Обзор существующих клинических исследований в области регенерации тканей и заживления костей дает основания полагать, что ультразвук низкой интенсивности может быть полезен для лечения гингивита (воспаления десен) и связанной с ним кровоточивости десен. В различных исследованиях были высказаны предположения о том, что, возможно, ультразвук может помочь уменьшить размер карманов на деснах, помочь заживлению капилляров и даже помочь в заживлении костей, как в случаях, описанных выше. Поскольку ультразвук интенсивностью ниже 100 мВт/см2 доказал свою полную безопасность [17], возникла идея о том, что идеальным прибором для лечения гингивита может быть именно зубная щетка, которая позволит применять такой способ воздействия ультразвука. Воплощение принципов работы ультразвукового прибора в зубной щетке позволило сделать ежедневное лечение тканей ротовой полости ультразвуком простым и не обременительным заданием для пользователей. Дополнительным преимуществом такой зубной щетки является возможность профилактики гингивита.
С целью изучения возможностей использования ультразвука в стоматологии в 1991 году была создана корпорация " Sonex International". И уже первая, экспериментальная модель ультразвуковой щетки доказала, что применение ультразвука низкой интенсивности частотой в 1,6 МГц, как ранее и предполагалось в различной научной литературе, действительно имеет выраженный положительный эффект в виде уменьшения воспаления десен. Значительное преимущество ультразвуковых щеток в отношении устранения зубного налета также было очевидным по сравнению с аналогичными не ультразвуковыми моделями. В декабре 1992 года Корпорация "Sonex International" получила от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США разрешение на продажу своей продукции – ультразвуковых зубных щеток.
История развития ультразвуковых зубных щеток UltraSonex и сопутствующие научные исследования их эффективности
Первые оригинальные модели зубных щеток марок "Sonex" и "UltraSonex" по сути были еще ручными щетками, оснащенными дополнительным ультразвуковым генератором на 1,6 МГц в ручке и пьезо-электрическим кристаллом в головке щетки. Пациенты пользовались этими щетками так же, как и обычными, ручными.
Впоследствии многочисленные клинические и лабораторные исследования подтвердили безопасность и эффективность этих ультразвуковых щеток. В частности, исследования показали:
Впоследствии многочисленные клинические и лабораторные исследования подтвердили безопасность и эффективность этих ультразвуковых щеток. В частности, исследования показали:
- Уменьшение зубного налета на 97%, уменьшение кровоточивости десен на 60%, уменьшение проявлений гингивита за 30 дней на 28% (данные опубликованного клинического исследования) [10].
- Мгновенное уменьшение отложений зубного налета на 74%, уменьшение проявлений гингивита за шесть месяцев на 65% (данные опубликованного клинического исследования) [11].
- Уменьшение проявлений афтозного стоматита (рецидивирующего афтозного стоматита) за шесть месяцев на 46% (данные опубликованного клинического исследования) [12].
- Разрушение бактериальных цепочек разновидностей стрептококка, повреждение оболочки бактерий. Предотвращение адгезии (нарастания) бактериального налета, образованного разновидностями стрептококка, на поверхность зубной эмали (данные опубликованного клинического исследования) [13].
- Уменьшение кровоточивости десен на 83%, уменьшение проявлений гингивита за 12 недель на 47% (неопубликованные данные Двойного слепого клинического исследования) [14].
- Уменьшение сублингвальной бактериальной флоры на 67% (неопубликованные данные клинического исследования) [14].
- Уменьшение периодонтальных карманов глубиной более 5 мм на 46% (неопубликованные данные клинического исследования) [14].
От изобретателя ультразвуковых зубных щеток
Позднее были разработаны новые модели зубных щеток. В дополнение к ультразвуку, эти новые модели в своих функциях объединяют электрический мотор и датчики-преобразователи движения с целью обеспечения "автоматических" вибраций щетины. Эти новые системы совмещают в себе все преимущества прежних моделей ультразвуковых щеток с дополнительным преимуществом щетинок, вибрирующих на звуковых частотах. Новые модели, сочетающие в себе два типа частот, также ориентированы на потребности пожилых людей и людей с ограниченными возможностями.
Технология ультразвуковых зубных щеток продолжает сегодня активно развиваться. Новые модели характеризуются более высокой мощностью ультразвука, что позволит повысить эффективность ультразвуковых зубных щеток.
— Роберт Т. Бок, изобретатель ультразвуковых зубных щеток
Robert T. Bock Consultancy LLC
Список наиболее авторитетных публикаций по вопросам использования ультразвука в медицине и стоматологии
1. Wood, R.W., and Loomis, A. L.: The physical and biological effects of high frequency sound waves of great intensity.
Phil. Mag. 4: 417-25, 1927.
2. Duarte, L. R.: The Stimulation of Bone Growth by Ultrasound, Arch Orthop Trauma Surg (1983) 101:153-159.
3. Pilla, A. A. et. al.: Non-Invasive Low-Intensity Pulsed Ultrasound Accelerates Bone Healing in the Rabbit, Journal of
Orthopaedic Trauma, Vol. 4, No. 3. pp.246-253, 1990.
4. Wang, Shyu-Jye, et.al. : Low Intensity Ultrasound Treatment Increases Strength in a Rat Femoral Fracture Model,
Journal of Orthopaedic Research 12:40 -47 The Journal of Bone and Joint Surgery, Inc. 1994
5. Pilla, A. A. et. al.: Acceleration of Bone Repair by Pulsed Sine Wave Ultrasound, Animal, Clinical, and Mechanistic
Studies, Electromagnetics in Biology and Medicine, 1991.
6. Heckman, J. D. M. D., et. al.: Acceleration of Tibial Fracture-Healing by Non-Invasive, Low-Intensity Pulsed
Ultrasound, The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol. 76-A, No. 1 pp. 26-34, January, 1994.
7. Exogen, Inc.: SAFHS The exciting new non-invasive technology, brochure and specifications.
8. Young, S. R. and Dyson, M.; Effect of therapeutic ultrasound on the healing of full-thickness excised skin lesions,
Ultrasonics, 1990 vol. 28 May, pp 175-180.
9. Young, S. R. and Dyson, M.; Effect of therapeutic ultrasound on Angiogenesis, Ultrasound in Med. & Biol. Vol. 16, No.
3, pp261-269, 1990.
10. Terezhalmy, Geza T., et.al., : Clinical Evaluation of the Efficacy and Safety of the UltraSonex Ultrasonic Toothbrush:
A 30 Days Study, Compend Contin Educ Dent, Vol. XV, No. 7, 866-874, 1994.
11. Terezhalmy DDS, Geza T., et.al., : Clinical evaluation of the effect of an ultrasonic toothbrush on plaque, gingivitis,
and gingival bleeding: A six-month study, The Journal of Prosthetic Dentistry, pp. 97-103, January, 1995.
12. Bryce MD, Sylvia L.,: Clinical evaluation of the use of low-intensity ultrasound in the treatment of recurrent
aphthous stomatitis, Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 1997; 83:14-20.
13. Shinada, Kayoko, et.al., : Effects of Ultrasonic Toothbrush on Streptococcus mutans, The Japanese Journal of
Conservative Dentistry, Vol. 42, No. 2 (1999).
14. Case Western Reserve University, School of Dentistry, Master's Thesis, Unpublished Data, 1996.
15. G. H. Besselaar Associates Clinical Research Unit, Efficacy of the Ultrasonic Toothbrush in Reduction of
Subgingival Microbial Flora, Unpublished data, August, 1994.
16. Spino, F. J., D.D.S., F.A.G.D., :Clinical Evaluation of the Effectiveness of the Sonex Ultrasonic Toothbrush in the
Reduction of Periodontal Pockets, Unpublished Data, Circa 1993.
17. American Institute of Ultrasound in Medicine: Bioeffects and Safety of iagnostic Ultrasound, 1993.
Phil. Mag. 4: 417-25, 1927.
2. Duarte, L. R.: The Stimulation of Bone Growth by Ultrasound, Arch Orthop Trauma Surg (1983) 101:153-159.
3. Pilla, A. A. et. al.: Non-Invasive Low-Intensity Pulsed Ultrasound Accelerates Bone Healing in the Rabbit, Journal of
Orthopaedic Trauma, Vol. 4, No. 3. pp.246-253, 1990.
4. Wang, Shyu-Jye, et.al. : Low Intensity Ultrasound Treatment Increases Strength in a Rat Femoral Fracture Model,
Journal of Orthopaedic Research 12:40 -47 The Journal of Bone and Joint Surgery, Inc. 1994
5. Pilla, A. A. et. al.: Acceleration of Bone Repair by Pulsed Sine Wave Ultrasound, Animal, Clinical, and Mechanistic
Studies, Electromagnetics in Biology and Medicine, 1991.
6. Heckman, J. D. M. D., et. al.: Acceleration of Tibial Fracture-Healing by Non-Invasive, Low-Intensity Pulsed
Ultrasound, The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol. 76-A, No. 1 pp. 26-34, January, 1994.
7. Exogen, Inc.: SAFHS The exciting new non-invasive technology, brochure and specifications.
8. Young, S. R. and Dyson, M.; Effect of therapeutic ultrasound on the healing of full-thickness excised skin lesions,
Ultrasonics, 1990 vol. 28 May, pp 175-180.
9. Young, S. R. and Dyson, M.; Effect of therapeutic ultrasound on Angiogenesis, Ultrasound in Med. & Biol. Vol. 16, No.
3, pp261-269, 1990.
10. Terezhalmy, Geza T., et.al., : Clinical Evaluation of the Efficacy and Safety of the UltraSonex Ultrasonic Toothbrush:
A 30 Days Study, Compend Contin Educ Dent, Vol. XV, No. 7, 866-874, 1994.
11. Terezhalmy DDS, Geza T., et.al., : Clinical evaluation of the effect of an ultrasonic toothbrush on plaque, gingivitis,
and gingival bleeding: A six-month study, The Journal of Prosthetic Dentistry, pp. 97-103, January, 1995.
12. Bryce MD, Sylvia L.,: Clinical evaluation of the use of low-intensity ultrasound in the treatment of recurrent
aphthous stomatitis, Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 1997; 83:14-20.
13. Shinada, Kayoko, et.al., : Effects of Ultrasonic Toothbrush on Streptococcus mutans, The Japanese Journal of
Conservative Dentistry, Vol. 42, No. 2 (1999).
14. Case Western Reserve University, School of Dentistry, Master's Thesis, Unpublished Data, 1996.
15. G. H. Besselaar Associates Clinical Research Unit, Efficacy of the Ultrasonic Toothbrush in Reduction of
Subgingival Microbial Flora, Unpublished data, August, 1994.
16. Spino, F. J., D.D.S., F.A.G.D., :Clinical Evaluation of the Effectiveness of the Sonex Ultrasonic Toothbrush in the
Reduction of Periodontal Pockets, Unpublished Data, Circa 1993.
17. American Institute of Ultrasound in Medicine: Bioeffects and Safety of iagnostic Ultrasound, 1993.