Ультразвуковая кавитация — образование и активность газовых или паровых пузырьков (полостей) в среде, облучаемой ультразвуком, а также эффекты, возникающие при их взаимодействии со средой и с акустическим полемХилл, К., Бэмбер, Дж., тер Хаар, Г. ред. Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Пер. с англ. — М.: Физматлит, 2008. — 544 с.Leighton, T.G. The Acoustic Bubble. — London: Academic Press, 1994. — 613 p. Nonthermal issues: Cavitation — its nature, detection and measurement. / by Barnett S. Ultrasound in Med. and Biol. — 1998. — V. 24. Suppl. 1. — P. S11-S21.Гаврилов, Л. Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. — М.: Фазис, 2013. −656 c. — ISBN 978-5-7036-0131-2.. Существует два значительно различающихся вида ультразвуковой кавитации. Первый из них — инерционная кавитация, природа которой связана с образованием в жидкости парогазовых полостей вследствие растяжения жидкости во время отрицательного полупериода колебаний в акустической волне. После наступления полупериода сжатия эти полости резко захлопываются, при этом возникают локальный нагрев и гидродинамические возмущения в виде микроударных волн, кумулятивных струек и микропотоков жидкости. Второй вид — это неинерционная кавитация, характеризующаяся колебаниями длительно существующих, стабильных газовых пузырьков. Если порог инерционной кавитации превышен, то одновременно могут проявляться оба вида кавитации, тем более если учесть, что акустическое поле, как правило, неоднородно.
В некоторых случаях ультразвуковая кавитация имеет вредные последствия, и тогда следует искать пути, чтобы предотвратить её появление. Так, возникая на поверхности акустических излучателей, кавитация разрушает эту поверхность. Вместе с тем акустическая кавитация с успехом используется в ультразвуковой технологии, например, для очистки загрязнённых деталей, снятия заусенцев, диспергирования, эмульгирования, для образования аэрозолей и пр. Особенно широкое и полезное применение кавитация нашла в медицинских приложениях ультразвука, особенно в хирургии.
История, терминология В опубликованной лишь несколько десятилетий назад литературе по физической и технической акустике под ультразвуковой кавитацией обычно подразумевалось образование разрывов сплошности жидкой среды под действием растягивающих напряжений в фазе разрежения, возникновение неустойчивых парогазовых полостей и последующее захлопывание этих полостей в фазе сжатияСиротюк, М. Г. Акустическая кавитация. — М.: Наука, 2008. — 271 с.Флинн, Г. Физика акустической кавитации в жидкостях. Пер. с анг. — М.: Мир, 1967. — Т. 1. — С. 7-138Перник, А. Д. Проблемы кавитации. — Л.: Судостроение, 1966. — 439 с.. Подобным явлениям соответствуют встречающиеся в литературе понятия «неустойчивая»Nyborg, W.L. Physical Mechanisms for Biological effects of Ultrasound. DHEW 78-8062. — Washington, D.C.: U.S. Government Printing Office. — 1977., «истинная», «паровая», «скоротечная», «реальная» кавитация. Позже для описания такого типа кавитации ряд авторов стал использовать термин «инерционная» кавитация, поскольку кинетическая энергия, запасённая в жидкости, сообщается пузырьку и управляет его движением во время схлопывания. В 1996 г. на симпозиуме по безопасности медицинского ультразвука Всемирной федерации ультразвука в медицине и биологии этот термин был «узаконен» для описания такого типа кавитации.
Физическая природа и проявления инерционной (неустойчивой) ультразвуковой кавитации были детально рассмотрены во многих работах обзорного характера и книгахАкуличев, В. А. Пульсации кавитационных полостей // В кн.: Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л. Д. Розенберга. — М.: Наука, 1968. — С. 129—166. Розенберг, Л. Д. Кавитационная область // В кн.: Мощные ультразвуковые поля./ Под ред. Л. Д. Розенберга. — М.: Наука, 1968.< — С. 221—266. Бэйли, М. Р., Хохлова, В. А., Сапожников, О. А., Каргл, С. Г., Крам, Л. А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (Обзор)// Акустич. журн. — 2003. -Т. 49, № 4. — С. 437—464.Apfel, R.E. Acoustic Cavitation // in Methods in Experimental Physics, V. 19, / edited by P. Edmonds, — New York: Academic Press, 1981. — P. 355—413.Apfel, R.E. Sonic effervescence: A tutorial on acoustic cavitation // J. Acoust. Soc. Am. — 1997. — V. 101, № 3. — P. 1227—1237.. Одним из важных физических явлений, возникающих при возникновении неустойчивых полостей, является образование и последующее распространение ударных волн.
Позже, однако, под термином кавитация стали понимать не только инерционную кавитацию, определение которой дано выше, но и любую активность пузырьков, либо прежде существовавших в среде, либо созданных под действием ультразвука, в том числе и колебания длительно существующих, стабильных газовых пузырьков. Эти пузырьки могут объединяться или расти до видимых размеров за счет так называемой выпрямленной или направленной диффузии. Суть этого явления состоит в том, что за период акустического колебаний газ диффундирует в пузырек во время фазы разрежения, а затем выходит из него во время фазы сжатия. Так как поверхность пузырька в фазе разрежения значительно больше, чем в фазе сжатия, то результирующий поток газа направлен внутрь пузырька, из-за чего пузырек растет. Стабильные пузырьки существуют в течение многих тысяч или миллионов циклов ультразвуковых колебаний, тогда как время жизни инерционных кавитационных пузырьков обычно сравнимо с продолжительностью нескольких циклов.
Этот тип кавитации часто называли «стабильной» кавитацией, поскольку она по существу соответствует возникновению поля стабильных пузырьков и не сопровождается физическими эффектами, характерными для неустойчивой ультразвуковой кавитации. Однако упомянутый выше симпозиум для описания такого типа кавитации «узаконил» использование термина «неинерционная» кавитация, который после этого стал общепринятым. Возникновение стабильно существующих пузырьков может приводить к различным, в частности, биологическим эффектам (деформации микроструктуры тканей, образованию мелкомасштабных акустических течений — микропотоков и т. д.), однако это явление не носит столь быстротечного, взрывного характера, как инерционная акустическая кавитация. Следует отметить, что пороговые значения интенсивности ультразвука, требуемые для образования инерционных (неустойчивых) кавитационных полостей, значительно выше, чем для возникновения неинерционных (стабильных) пузырьков.
Кавитационные зародыши Разрывы тканей образуются на кавитационных зародышах или «слабых точках» жидкой среды. Механизм длительного существования (стабилизации) в жидкостях слабых точек, каковыми по преимуществу являются микроскопические газовые пузырьки, уже давно представлялся загадочным и длительное время был предметом дискуссии. Дело в том, что большие пузырьки должны всплывать за счёт стоксовой силы плавучести (например, скорость всплытия пузырька радиусом 10 мкм составляет 0,2 мм/с), а малые пузырьки должны раствориться под действием давления, обусловленного поверхностным натяжением 2σ/R, где σ — коэффициент поверхностного натяжения на границе газа и жидкости, а R — радиус пузырька. Для примера для пузырька радиуса 1 мкм это добавочное давление составляет 1,5 атм. Для объяснения возникновения и стабильного существования в жидкостях газовых пузырьков — кавитационных зародышей были привлечены различные механизмы, подробно рассмотренные в ряде книг и обзоров. Так, было показано, что зародыши кавитации могут непрерывно создаваться в воде под действием космических лучей, нейтронов и других частиц высоких энергий. Фокс и ГерцфельдFox, F.E., Herzfield, K.F. Gas bubbles with organic skin as cavitation nuclei // J. Acoust. Soc. Am. — 1954. — V. 26. — P. 984—989. выдвинули предположение, что органические молекулы могут формировать оболочку на поверхности пузырька, которая препятствует диффузии газа из него. Другая теория связана с наличием микротрещин на пылинках и примесных частицах; эти микротрещины, так же, как и твердые частицы, могут служить ловушками для газа.
Для биологических структур «слабыми точками», вероятно, становятся покрытые плёнкой органических примесей микроскопические газовые пузырьки, всегда имеющиеся в нормально насыщенных газом тканях, а также находящиеся в трещинах примесей или порах мембран. Эти пузырьки можно обнаружить с помощью специальных акустических методовГаврилов, Л. Р. Содержание свободного газа в жидкостях и методы его измерения // В кн.: Физические основы ультразвуковой технологии. / Под ред. Л. Д. Розенберга. — М., Наука, 1970. — С. 393—426.. Другим типом «слабых точек» в биологических структурах могут быть границы раздела разных тканей или сред, например, крови и стенок кровеносных сосудов. Кавитационные ядра могут быть созданы намеренно, например, при использовании ультразвуковых эхоконтрастных агентовTran, B.C., Seo, J., Hall, T.L., Fowlkes, J.B., Cain, C.A. Microbubble-enhanced cavitation for noninvasive ultrasound surgery. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. — 2003. — V. 50, № 10. — P. 1296—1304..
Кавитационные пороги В случае, если бы вода была бы идеально чистой и не содержала бы никаких парогазовых включений, она могла бы выдерживать растягивающие напряжения порядка 1000 МПа. Однако вследствие спонтанного возникновения в ней паровых пузырьков теоретическая прочность воды снижается на порядок и составляет 100 МПа. Реальная же прочность воды, находящейся в контакте с воздухом и атмосферной пылью, оказывается равной единицам и даже долям мегапаскалей. По удачному замечанию Флинна, любую находящуюся в реальных условиях воду не нужно разрывать — она и так уже разорвана находящимися в ней зародышами кавитации.
При использовании плоских ультразвуковых волн мегагерцового диапазона частот кавитация в жидких средах, в частности биологических средах с нормальным газосодержанием, может возникать при интенсивностях, составляющих всего 0,3 Вт/см2, то есть при амплитудах звукового давления, равных приблизительно 1 атм или 0,1 МПаИсточник не указан (Стабильная кавитация существенно отличается от кавитации другого типа, известной как нестационарная или коллапсирующая кавитация. Такой процесс возникает в среде только при очень высоких интенсивностях ультразвука (пороговое значение интенсивности на частоте 1 МГц составляет примерно 300 Вт/см2))Глава 4.3.9. (Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ./Под ред. К. Хилла. — М.: Мир, 1989. — 568 с.). В импульсном режиме облучения, а также с повышением частоты ультразвука, с увеличением вязкости среды и с уменьшением её газосодержания кавитационные пороги заметно возрастают, но обычно не превышают нескольких атмосфер. Однако при использовании в аналогичных ситуациях фокусированного ультразвука кавитационные пороги существенно (на несколько порядков) возрастают по сравнению с порогами в плоских ультразвуковых полях. Например, кавитация в тканях мозга подопытных животных возникает при интенсивностях ультразвука в фокальной области, составляющих сотни и тысячи Вт/см2Гаврилов, Л. Р. О физическом механизме разрушения биологических тканей с помощью фокусированного ультразвука // Акуст. журн. — 1974. — Т. 20, № 1. — С. 27-32.. Показано также, что пороги кавитации в мышечной ткани собаки в частотном диапазоне 0,25-1,7 МГц составляли в терминах звукового давления 5 МПа•МГц−1Hynynen, K. The threshold for thermally significant cavitation in dog’s thigh muscle in vivo // Ultrasound in Med. and Biol. — 1991. — V. 17, № 2. — P. 157—169., что для частоты 1 МГц в 50 раз выше указанного выше порога кавитации в плоском поле. Причина столь резкого повышения кавитационных порогов при использовании фокусированного ультразвука связана с рядом факторов. Прежде всего, объем фокальной области фокусирующего излучателя значительно меньше, чем зона воздействия при использовании плоских ультразвуковых волн; соответственно и вероятность нахождения в фокальной области кавитационных зародышей тоже невелика.