CC BY
34
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-КЛИНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ КОСТНОЙ ТКАНИ
Ивашенко С.В.1, Остапович А.А.1, Чекан В.А.2, Курило О.В.3 'Белорусский государственный медицинский университет, Минск 2Испытательный центр Института порошковой металлургии, Минск, Беларусь белорусский государственный экономический университет, Минск
Ivashenko S.V.', Ostapovich A.A.', Chekan V.A.2, Kuryla V.V.3
'Belarusian State Medical University, Minsk institute of Powder Metallurgy, Minsk, Belarus 3Belarusian State Economic University, Minsk
Experimental and clinical substantiation of application of low frequency ultrasound for local increasing of bone plasticity
Резюме. Для исправления зубочелюстных аномалий и деформаций в сформированном прикусе проводят комплексное ортодонтическое лечение, при котором локально, в области перемещаемых зубов, ослабляется костная ткань и повышается ее пластичность. Эффективен низкочастотный ультразвук. Представлены изменения костной ткани челюсти опытных животных после воздействия непрерывным, импульсным и модулированным ультразвуком частотой 60 кГц. Проведено лечение пациентов с различной ортодонтической патологией с предварительной подготовкой костной ткани в продуктивном периоде с применением различных параметров ультразвука низкой частоты. Ключевые слова: низкочастотный ультразвук, костная ткань, ортодонтия, перемещение зубов.
Современная стоматология. — 2017. — №3. — С. 19—23.
Summary. For correction of dentoalveolar anomalies and deformations in the formed bite conducts comprehensive orthodontic treatment, in which locally, in the field of movable teeth, weakens bone and increases its flexibility. Low-frequency ultrasound is effective for that purpose. Changes of the jaw bone of experimental animals after exposure to a continuous, pulsed and modulated ultrasound frequency of 60 kHz described in article. Were treated patients with various maloocclusions with applying of effect of low frequency ultrasound in various parameters on bone in area of replacing tooth before active period of orthodontic treatment. Keywords: low frequency ultrasound, bone tissue, orthodontic, teeth movement. Sovremennaya stomatologiya. — 2017. — N3. — P. 19-23.
В лечебную практику активно внедряется низкочастотный ультразвук, который характеризуется частотой колебаний от 20 до 200 кГц. Его широко применяют в хирургии, кардиологии, ангиологии, офтальмологии, оториноларингологии, терапии и других областях медицины. Также низкочастотный ультразвук нашел свое применение и в стоматологии, где его используют при лечении заболеваний периодонта, в эндодонтии, при ортодон-тическом лечении [2, 4, 5, 8].
Действующим началом ультразвука является акустическая энергия, которая передается в ткани организма в виде продольных и поперечных волн, вызывающих попеременное сжатие и разрежение тканей и клеток органов. Величина энергии, передающейся на озвучиваемый объект, зависит от амплитуды, длины, частоты, интенсивности и скорости распространения ультразвуковой волны [9, 10].
Под амплитудой звуковой волны понимают максимальное смещение колеблющихся частиц среды от положения равновесия. Измеряется она в единицах длины - метрах. От амплитуды колебания зависит давление звука и его мощность. Более высокая амплитуда колебаний вызывает более резкое изменение давления на озвучиваемые ткани. Под звуковым
давлением понимают переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через нее звуковой волны. Единица измерения - паскаль (Па). Звуковое давление считается положительным, если участок среды в данный момент времени испытывает сжатие, отрицательным - при разряжении. Мощность звука измеряется в Вт/см2 (рисунок).
X
Рис. Графическое изображение звуковой волны: X - длина волны, А - амплитуда, Р - скорость, с которой частицы среды колеблются около среднего положения
Интервал времени повторения колебательного процесса соответствует периоду (Т). Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой ^=1Я), она показывает число полных колебаний в секунду. Частота колебаний измеряется в герцах (Гц). Частота колебаний связана с соотношением Х=сД, где с - скорость распространения звуковых волн (м/с).
Скорость распространения звуковой волны влияет на передаваемую энергию и пропорциональна плотности, упругости, коэффициенту сжимаемости, температуре тканей и частоте ультразвукового воздействия. Для мягких тканей скорость распространения ультразвука составляет 1530-1600 м/с2, мало отличаясь от скорости распространения продольных звуковых волн в воде (1497 м/с2). По литературным данным, наибольшая скорость ультразвука в костной ткани при частоте 50 кГц составляет 3300 м/с2 [10]. При увеличении частоты ультразвука увеличивается и коэффициент рассеивания, что приводит к снижению скорости звука и потерям звуковой энергии. Следовательно, в различных тканях ультразвук низкой частоты будет распространяться быстрее, чем ультразвук высокой частоты [12].
Низкочастотный ультразвук глубоко проникает в ткани. Так, энергия ультразвуковой волны частотой 44 кГц при прохождении через жировую и мышечную ткани остается неизмененной на глубине до 12 см. Глубина проникновения низкочастотного ультразвука в костную ткань без потери энергии составляет около 3 мм [10].
Установлено, что поглощение ультразвуковой энергии тканями зависит от частоты ультразвука и плотности данных тканей. Чем больше их плотность и выше вязкость, тем больше энергии затрачивается на преодоление сил сцепления между частицами, следовательно, больше энергии поглощается. Так, коэффициент поглощения низкочастотного ультразвука костной тканью в 12-15 раз выше коэффициента поглощения мышечной тканью [10].
Процесс поглощения ультразвука сопровождается нагревом тканей. Наибольшее увеличение температуры происходит на границе сред с различным акустиче-
ским сопротивлением, а также в тканях, интенсивно поглощающих ультразвук, и в местах, плохо снабжающихся кровью.
В эксперименте установлено, что при снижении частоты ультразвукового воздействия температура в костной ткани увеличивается быстрее, чем в кожных покровах, следовательно, более выраженное влияние на костную ткань оказывает ультразвук низкой частоты. D.M. Nell и со-авт. отмечали повышение температуры на 30% в витальной костной ткани при воздействии на нее низкочастотным ультразвуком [9]. По данным М.М. Гала-гудза, выявлено повышение температуры на 1,2 °С в течение 15 минут на границе мышечная ткань - кость при воздействии ультразвуком частотой 100 кГц [10].
Одним из источников низкочастотного ультразвука является аппарат для низкочастотной ультразвуковой терапии «АНУЗТ-1-100» ТУЛЬПАН, разработанный на кафедре ортопедической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета совместно с сотрудниками Института физиологии Национальной академии наук Республики Беларусь и Института прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета. Данный аппарат способен работать в трех различных режимах: непрерывном, импульсном и модулированном [2, 3, 5].
В непрерывном режиме на озвучиваемый объект воздействует звуковая волна фиксированной частоты (22, 44, 60, 80 и 100 кГц) и интенсивности. В импульсном режиме звуковая волна фиксированной частоты и интенсивности воздействует на объект с заданным периодом воздействие/пауза (например, 5/5 секунд). При использовании модулированного режима частота озвучивания остается фиксированной, а интенсивность с заданным периодом (например, каждые 5 секунд) увеличивается на 0,2 Вт/см2 от 0,2 до 1 Вт/см2.
Изменения в озвучиваемых тканях после воздействия ультразвука низкой частоты зависят от параметров примененного ультразвука. Этим обусловлено применение ультразвука низкой частоты в ортодонтии для изменения свойств костной ткани.
Целью данного исследования явилось изучение физико-механических свойств костной ткани после воздействия низкочастотным непрерывным, импульсным и модулированным ультразвуком частотой 60 кГц.
Материалы и методы
Эксперимент проведен на 59 кроликах породы шиншилла, самцах одинакового веса (2,8±0,2 кг) и возраста (18±3 месяца). Опытных животных (п=54) разделили на 3 группы. В первой группе проводили озвучивание костной ткани и слизистой оболочки альвеолярного отростка нижней челюсти в области центральных резцов непрерывным ультразвуком частотой 60 кГц по 5, 10 и 15 процедур. Параметры воздействия: режим - непрерывный, частота - 60 кГц, интенсивность - 0,4 Вт/см2, длительность процедуры - до 10 минут.
Во второй группе проводили озвучивание костной ткани и слизистой оболочки альвеолярного отростка нижней челюсти в области центральных резцов импульсным ультразвуком частотой 60 кГц по 5, 10 и 15 процедур. Параметры воздействия: режим - импульсный, частота - 60 кГц, интенсивность - 0,4 Вт/см2, период воздействие/пауза - 5/5 секунд, длительность процедуры - до 10 минут.
В третьей группе проводили озвучивание костной ткани и слизистой альвеолярного отростка нижней челюсти в той же области модулированным ультразвуком частотой 60 кГц также по 5, 10 и 15 процедур. Параметры воздействия: режим - модулированный, частота - 60 кГц, интенсивность - 0,2-0,6 Вт/см2, период изменения интенсивности - 5 секунд, длительность процедуры - до 10 минут.
Во всех группах процедуры проводили один раз в день. В качестве контактной среды излучателя волновода со слизистой оболочкой использовали вазелиновое масло.
Животные находились на стандартном рационе вивария. После окончания эксперимента их выводили из опыта под наркозом. Брали озвученный участок нижней челюсти в области резцов с наружной, внутренней компактной пластинкой и губчатым веществом, фиксировали в 10-процентном растворе формалина. От-
деляли фрагмент компактной пластинки и губчатого вещества для исследования размером 5x8 мм. Испытание образцов костной ткани на сжатие проводили по ГОСТ 4651 -82 в Испытательном центре Института порошковой металлургии на машине ^гоп-1195. Высоту, ширину и толщину образца костной ткани измеряли с погрешностью не более 0,01 мм не менее чем в трех местах. Для удобства образцу придавали форму параллелограмма с размером грани 5x8 мм. Скорость испытания указывали в нормативно-технической документации. Испытания проводили в условиях кондиционирования по ГОСТ 12423-66 при температуре 23±2 °С и относительной влажности 50±5%. Устанавливали образец между опорными площадками так, чтобы его вертикальная ось совпадала с направлением действия нагрузки. Регулировали машину до осуществления соприкосновения образца с площадками. Устанавливали выбранную скорость сближения опорных площадок. Машину приводили в действие и записывали значения определяемых показателей или кривую «нагрузка - деформация» при сжатии.
Разрушающее напряжение при сжатии (а ) вычисляли в Мпа по формуле:
CT = -
ср A
где F- нагрузка, соответствующая вычислению, Ао - площадь минимального начального сечения образца, мм2.
Определение элементного состава проводилось на сканирующем электронном микроскопе «CamScan 4» с энергодисперсионным микрорентгено-спектральным анализатором «INCA 350» (Oxford Instruments, Англия). Минимальный предел обнаружения элемента -0,5%. Точный количественный анализ при содержании элемента от 1%. Разрешающая способность данного СЭМ по паспорту - 40 А. Глубина проникновения электронного пучка в образец - 1 мкм, область возбуждения - 0,5 мкм. Погрешность метода - 3-5 относительных процентов. Изучали 5 произвольно выбранных участков компактной и губчатой костной ткани.
Результаты исследования обработаны с помощью специальных прикладных программ STATISTICA 6.0 и Microsoft Excel с вычислением средней арифметической (m), медианы, верхнего и нижнего квартилей, критериев достоверности Манна -Уитни (U), вероятности достоверности сравниваемых величин (p). Различия показателей считали достоверными при p<0,05 [1].
Результаты и обсуждение
Как видно из данных, представленных в таблице 1, после 10 процедур воздействия импульсным ультразвуком частотой 60 кГц максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образцов костной ткани, статистически достоверно уменьшилась в 1,95 раза и составила 148,29 H. После 10 процедур воздействия
модулированным ультразвуком частотой 60 кГц этот показатель статистически достоверно уменьшился в 1,82 раза и составил 159,2 Н. Выполнение 10 процедур воздействия непрерывным ультразвуком частотой 60 кГц уменьшило максимальную нагрузку, предшествующую разрушению образцов до 167,1 Н, что статистически достоверно меньше контрольного значения в 1,75 раза.
Напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению, в образцах костной ткани контрольной группы составило 9,2 Мпа. После 10 процедур воздействия импульсным ультразвуком частотой 60 кГц напряжение, предшествующее разрушению, статистически достоверно уменьшилось в 2,23 раза и составило 4,12 Мпа. После 10 процедур воздействия модулированным ультразвуком частотой 60 кГц этот показатель статистически достоверно уменьшился в 2,13 раза и составил 4,31 Мпа. После 10 процедур воздействия непрерывным ультразвуком частотой 60 кГц напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, составило 4,51 Мпа, что статистически достоверно меньше контрольного значения в 1,97 раза.
Из данных, представленных в таблице 2, видно, что содержание кальция в компактной пластинке костной ткани контрольной группы животных составило 20,3 весовых процентов. После 10 процедур воздействия импульсным ультразвуком частотой 60 кГц содержа-
Таблица 1 Показатели максимальной нагрузки и напряжения контрольных и опытных образцов костной ткани после 10 процедур воздействия низкочастотным ультразвуком различных режимов
1руппа Статистические показатели Импульсный ультразвук 60 кГц Модулированный ультразвук 60 кГц Непрерывный ультразвук 60 кГц
Fmax, H V Мпа Fmax, H CT ср, Мпа Fmax, H СТр Мпа
10 процедур Медиана Квартили Среднее 149,13* (141,48;154,27) 148,29 4,12* (3,94;4,29) 4,12 161,32* ( 154,43;166,64) 159,2 4,01* (3,95;4,52) 4,31 165,23* (156,32;169,41) 167,1* 4,51* (3,85;4,97) 4,7*
Контроль Медиана Квартили Среднее 291,63 (284,41;293,21) 289,75 9,24 (9,05;9,31) 9,20 291,63 (284,41;293,21) 289,75 9,24 (9,05;9,31) 9,20 292,8 (284,41;293,21) 293,8 9,3 (9,05;9,31) 9,30
Примечание: Fmax - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, аср - напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению;
Здесь и в табл. 2, 3, 4* - статистически достоверные различия показателей в сравнении с таковыми в группе контроля, р<0,05
Таблица 2 Содержание (в весовых %) кальция и фосфора в компактной пластинке костной ткани после 10 процедур воздействия низкочастотным ультразвуком различных режимов
Группа Статистические показатели Импульсный ультразвук 60 кГц Модулированный ультразвук 60 кГц Непрерывный ультразвук 60 кГц
Са Р Са Р Са Р
10 процедур Медиана Квартили Среднее 11,67* ( 11,61 ; 11,95 ) 11,73 6,75* ( 6,68 ; 6,97 ) 6,70 12,32* ( 12,11 ; 12,49 ) 12,32 6,82* ( 6,75 ; 6,87 ) 6,78 9,45* ( 9,1 ; 10,03 ) 9,4 5,97* ( 5,59 ; 6,98 ) 5,7
Медиана 20,37 11,25 20,37 11,25 20,37 11,25
Контроль Квартили (19,67;20,81) (11,21;11,93) (19,67;20,81) (11,21;11,93) (19,67;20,81) (11,21;11,93)
Среднее 20,30 11,45 20,30 11,45 19,16 10,6
Таблица 3 Содержание (в весовых %) кальция и фосфора в губчатой части костной ткани после 10 процедур воздействия низкочастотным ультразвуком различных режимов
Группа Статистические показатели Импульсный ультразвук 60 кГц Модулированный ультразвук 60 кГц Непрерывный ультразвук 60 кГц
Са Р Са Р Са Р
10 процедур Медиана Квартили Среднее 8,92* ( 8,04 ; 9,17 ) 8,78 5,61* ( 5,25 ; 6,38 ) 5,81 9,0* ( 8,92 ; 9,21 ) 9,04 6,57* ( 6,32 ; 6,57 ) 6,48 6,93* ( 6,71 ; 7,15 ) 7,80 5,41* ( 4,92 ; 5,99 ) 4,60
Контроль Медиана Квартили Среднее 15,35 (14,69 ; 15,38) 15,10 10,35 (10,17;11,14) 10,63 15,35 ( 14,69 ; 15,38 ) 15,10 10,35 ( 10,17 ; 11,14 ) 10,63 15.35 ( 14,69 ; 15,38 ) 14.36 10,35 ( 10,17 ; 11,14 ) 9,36
ние кальция в компактной пластинке костной ткани статистически достоверно снизилось в 1,73 раза и составило 11,73 весовых процентов. Проведение 10 процедур воздействия модулированным ультразвуком частотой 60 кГц привело к снижению содержания кальция в компактной пластинке костной
ткани до 12,32 весовых процентов, что статистически достоверно меньше контрольного значения в 1,65 раза. После 10 процедур воздействия непрерывным ультразвуком частотой 60 кГц содержание кальция в компактной пластинке костной ткани снизилось до 9,4 весовых процентов, что статистиче-
ски достоверно меньше контрольного значения в 2,09 раза.
Содержание фосфора в компактной пластинке костной ткани контрольной группы животных составило 11,45 весовых процентов. После 10 процедур воздействия импульсным ультразвуком 60 кГц этот показатель статистически
Таблица 4 Средние сроки и скорость перемещения зубов после применения ультразвука различных параметров в предактивном периоде ортодонтического лечения
[руппа Направление перемещения зубов
Вестибуло-оральное Медио-дистальное Вертикальное
Сроки активного периода ортодонтического лечения (сутки)
Импульсный ультразвук частотой 60 кГц 78* (77/83) 92* (81/117) 98* (96/113)
Непрерывный ультразвук частотой 60 кГц 82* (76/85) 95* (87/107) 104* (89/110)
Без воздействия на костную ткань 189 (181/195) 209 (205/221) 220 (209/231)
Скорость перемещения зубов (мм/мес)
Импульсный ультразвук частотой 60 кГц 2,32* (2,1/2,43) 2,13* (2,04/2,59) 1,59* (1,21/1,63)
Непрерывный ультразвук частотой 60 кГц 2,29* (2,01/2,39) 2,09* (1,94/2,32) 1,55* (1,37/1,62)
Без воздействия на костную ткань 1,01 (0,99/1,1) 0,95 (0,93/0,97) 0,75 (0,71/0,81)
ВИЗИТНАЯ КАРТОЧКА: КАФЕДРА ОРТОПЕДИЧЕСКОЙ СТОМАТОЛОГИИ БГМУ
достоверно уменьшился в 1,7 раза и составил 6,7 весовых процентов. После 10 процедур воздействия модулированным ультразвуком 60 кГц содержание фосфора в компактной пластинке статистически достоверно уменьшилось в 1,6 раза и составило 6,78 весовых процентов. После 10 процедур воздействия непрерывным ультразвуком 60 кГц этот показатель статистически достоверно уменьшился в 1,86 раза и составил 5,7 весовых процентов.
Из данных, представленных в таблице 3, видно, что среднее содержание кальция в губчатой части контрольных образцов костной ткани составило 15,1 весовых процентов. После 10 процедур воздействия импульсным ультразвуком частотой 60 кГц содержание кальция в губчатой части костной ткани статистически достоверно снизилось в 1,72 раза и составило 8,78 весовых процентов. Десять процедур воздействия модулированным ультразвуком частотой 60 кГц статистически достоверно уменьшили уровень кальция в губчатой костной ткани в 1,67 раза до 9,04 весовых процентов. Проведение 10 процедур воздействия непрерывным ультразвуком частотой 60 кГц снижало содержание кальция в губчатой части до 7,8 весовых процентов, что статистически достоверно меньше контрольного значения в 1,84 раза.
Среднее содержание фосфора в губчатой части контрольных образцов костной ткани составило 10,63 весовых процентов. После 10 процедур воздействия импульсным ультразвуком 60 кГц этот показатель статистически достоверно уменьшился в 1,83 раза и составил 5,81 весовых процентов. Проведение 10 процедур воздействия модулированным ультразвуком 60 кГц привело к снижению содержания фосфора в губчатой части костной ткани до 6,48 весовых процентов, что статистически достоверно меньше контрольного
значения в 1,64 раза. Десять процедур воздействия непрерывным ультразвуком частотой 60 кГц снизило содержание фосфора в губчатой части костной ткани до 4,6 весовых процентов, что статистически меньше контрольного значения в 2,03 раза.
После выполнения экспериментальной части исследования нами проведено ортодонтическое лечение 105 пациентов с различной патологией зубочелюст-ной системы, из них у 33 пациентов ортодонтическое лечение проводили без повышения пластичности костной ткани, у 39 - пластичность костной ткани в области перемещаемых зубов повышали с помощью непрерывного низкочастотного ультразвука, у 33 - с помощью импульсного низкочастотного ультразвука. Определяли длительность активного периода ортодонтического лечения и скорость перемещения зубов.
Из представленных в таблице 4 данных видно, что применение импульсного ультразвука частотой 60 кГц в предактив-ном периоде ортодонтического лечения позволило сократить сроки активного периода ортодонтического лечения в среднем в 2,3 раза и увеличить скорость перемещения в зависимости от направления в среднем в 2,22 раза. Применение непрерывного ультразвука позволило сократить сроки активного периода ортодонтического лечения в среднем в 2,19 раза и увеличить скорость перемещения зубов в зависимости от направления в среднем в 2,2 раза.
Выводы:
1. Воздействие ультразвуком низкой частоты вызывало статистически достоверное повышение пластичности костной ткани, выражающееся в снижении максимальной нагрузки, вызывающей разрушение образцов костной ткани, снижении напряжения, соответствующего этой нагрузке, уменьшении содержания
кальция и фосфора в исследуемых образцах.
2. Применение ультразвука низкой частоты в предактивном периоде ортодон-тического лечения позволило значительно сократить его сроки.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Добровольская О.В., Торопцова Н.В, Никитинская О.А., Демин Н.В., Беневоленская Л.И. Журн. Гродн. гос. мед. ун-та. -2010. - №3(31). - С.18.
2. Ивашенко С.В. Лечение зубочелюстных аномалий и деформаций в сформированном прикусе с применением физических и физико-фармакологических методов (экспериментально-клиническое исследование): Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. - Минск, 2011. - 42 с.
3. Ивашенко С.В., Остапович А.А., Чекан В.А. // Современная стоматология. -2012. - №1. - С.70-73.
4. Наумович С.А. Повышение эффективности комплексного (ортопедохирургического) лечения аномалий и деформаций зубочелюст-ной системы в сформированном прикусе: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. - Минск, 2001. - 42 с.
5. Остапович А.А. //Современная стоматология. - 2014. - №2. - С.79-83.
6. Щетинин В.В., Дружинин В.Н., ЧернийА.Н., Ратобыльский Г.В. // Вестник медицинского стоматологического института. - 2008. -№4. - С.14-18.
7. Максикова Т.М., Меньшиков А.М., Меньшикова Л.В. // Сибирский медицинский журнал. - 2007. - №7 (т.74). - С.93-95.
8. Проффит У.Р. Современная ортодонтия. Под ред. Л.С. Персина. - М., 2008.
9. Улащик В.С. // Физиотерапевт. - 2012. -№8. - С.3-10.
10. Хилл К. Ультразвук в медицине. Физические основы применения / К. Хилл, Дж. Бэмбера, Г. тер Хаар. - М., 2008. - 544 с.
11. Barth G., Wachsmann F// Erlanger Ultraschall Tagung. - 1997. - P.162-205.
12. Ghita A., Pascut EC., Sottile V, Notingher I. // Analyst. - 2013. - P.24.
13. Ohman C, Zwierzak I, Baleani M. // M. Proc. Inst. Mech. Eng. H. - 2013. - Vol.227, N2. - P.200-206.
14. Wise G.E., King G.J. // J. Dent. Res. -2008. - Vol.87, N5. - P.414-434.
Поступила 23.02.2017
