La cavitación ultrasónica es la formación y actividad de burbujas de gas o vapor (cavidades) en un medio irradiado con ultrasonido , así como los efectos derivados de su interacción con el medio y con el campo acústico [1] [2] [3] [4 ] . Hay dos tipos muy diferentes de cavitación ultrasónica. El primero de ellos es la cavitación inercial, cuya naturaleza está asociada a la formación de cavidades gas-vapor en el líquido debido a la expansión del líquido durante el semiciclo negativo de oscilaciones en la onda acústica. Después del inicio del semiciclo de compresión, estas cavidades colapsan abruptamente y surgen perturbaciones hidrodinámicas y de calentamiento locales en forma de microondas de choque, chorros acumulativos y microflujos de líquido. El segundo tipo es la cavitación no inercial, caracterizada por oscilaciones de burbujas de gas estables a largo plazo [1] [2] [3] [4] . Si se supera el umbral de cavitación inercial, ambos tipos de cavitación pueden aparecer simultáneamente, especialmente si se tiene en cuenta que el campo acústico suele ser heterogéneo.
En algunos casos, la cavitación ultrasónica tiene efectos nocivos, por lo que se deben buscar formas de evitar que ocurra. Entonces, surgiendo en la superficie de los emisores acústicos, la cavitación destruye esta superficie. Al mismo tiempo, la cavitación acústica se utiliza con éxito en la tecnología ultrasónica, por ejemplo, para la limpieza de piezas contaminadas, desbarbado, dispersión , emulsificación, para la formación de aerosoles , etc. La cavitación ha encontrado una aplicación especialmente amplia y útil en aplicaciones médicas de ultrasonido, especialmente en cirugía [1] [4] .
En la literatura sobre acústica física y técnica publicada hace solo unas décadas , la cavitación ultrasónica generalmente significaba la formación de discontinuidades en el medio líquido bajo la acción de esfuerzos de tracción en la fase de rarefacción, la aparición de cavidades vapor-gas inestables y la subsiguiente colapso de estas cavidades en la fase de compresión [5] [6] [7 ] . Tales fenómenos corresponden a los conceptos de cavitación “inestable” [8] , “verdadera”, “vapor”, “transitoria”, “real” que se encuentran en la literatura . Más tarde, para describir este tipo de cavitación, varios autores comenzaron a utilizar el término cavitación "inercial", ya que la energía cinética almacenada en el líquido se transmite a la burbuja y controla su movimiento durante el colapso. En 1996, en el Simposio sobre la Seguridad de los Ultrasonidos Médicos de la Federación Mundial de Ultrasonido en Medicina y Biología, este término fue "legalizado" para describir este tipo de cavitación [3] .
La naturaleza física y las manifestaciones de la cavitación ultrasónica inercial (inestable) se han considerado en detalle en muchos artículos y libros de revisión [1] [2] [4] [5] [7] [9] [10] [11] [12] [13] . Uno de los fenómenos físicos importantes derivados de la aparición de cavidades inestables es la formación y posterior propagación de ondas de choque [1] [11] .
Más tarde, sin embargo, el término cavitación comenzó a entenderse no sólo como la cavitación inercial, cuya definición se da más arriba, sino también como cualquier actividad de burbujas, ya sea previamente existente en el medio o creada bajo la acción de los ultrasonidos, incluidas las vibraciones de larga duración. burbujas de gas estables a largo plazo [9 ] [13] . Estas burbujas pueden coalescer o crecer a tamaños visibles por la llamada difusión rectificada o dirigida [1] [6] [7] . La esencia de este fenómeno es que, durante el período de oscilaciones acústicas, el gas se difunde en la burbuja durante la fase de rarefacción y luego la abandona durante la fase de compresión. Dado que la superficie de la burbuja en la fase de rarefacción es mucho mayor que en la fase de compresión, el flujo de gas resultante se dirige hacia el interior de la burbuja, lo que hace que la burbuja crezca. Las burbujas estables existen durante muchos miles o millones de ciclos de vibraciones ultrasónicas, mientras que la vida útil de las burbujas de cavitación inercial suele ser comparable a la duración de varios ciclos.
Este tipo de cavitación a menudo se denomina cavitación "estable" [8] porque corresponde esencialmente a la aparición de un campo de burbujas estables y no se acompaña de los efectos físicos característicos de la cavitación ultrasónica inestable. Sin embargo, el simposio [3] mencionado anteriormente para describir este tipo de cavitación "legitimó" el uso del término cavitación "no inercial", que luego pasó a ser generalmente aceptado. La aparición de burbujas existentes de forma estable puede provocar varios efectos, en particular, biológicos (deformación de la microestructura de los tejidos, formación de flujos acústicos a pequeña escala - microflujos, etc.), sin embargo, este fenómeno no es tan rápido, explosivo como cavitación acústica inercial. Cabe señalar que los valores umbral de la intensidad de ultrasonido necesarios para la formación de cavidades de cavitación inerciales (inestables) son mucho más altos que para la formación de burbujas no inerciales (estables).
Las rupturas de tejido se forman en los núcleos de cavitación o "puntos débiles" del medio líquido. El mecanismo de la existencia a largo plazo (estabilización) de los puntos débiles en los líquidos, que son predominantemente burbujas de gas microscópicas, se ha considerado un misterio durante mucho tiempo y ha sido objeto de debate durante mucho tiempo. El hecho es que las burbujas grandes deberían flotar debido a la fuerza de flotación de Stokes (por ejemplo, la velocidad de ascenso de una burbuja con un radio de 10 μm es de 0,2 mm/s), y las burbujas pequeñas deberían disolverse bajo la acción de la presión debido a tensión superficial 2σ/R , donde σ es el coeficiente de tensión superficial en la interfaz entre el gas y el líquido, y R es el radio de la burbuja. Por ejemplo, para una burbuja con un radio de 1 μm, esta presión adicional es de 1,5 atm. Para explicar la aparición y la existencia estable en líquidos de burbujas de gas - núcleos de cavitación, intervinieron varios mecanismos, que se consideraron en detalle en una serie de libros y reseñas [5] [6] [7] . Así, se demostró que los núcleos de cavitación pueden crearse continuamente en el agua bajo la acción de los rayos cósmicos , los neutrones y otras partículas de alta energía [5] . Fox y Hertzfeld [14] sugirieron que las moléculas orgánicas pueden formar una capa en la superficie de una burbuja, lo que evita que el gas se difunda. Otra teoría está relacionada con la presencia de microfisuras en los granos de polvo y partículas de impurezas; estas microfisuras, así como las partículas sólidas, pueden servir como trampas de gas.
Para las estructuras biológicas, es probable que los "puntos débiles" sean burbujas de gas microscópicas cubiertas con una película de impurezas orgánicas, que siempre están presentes en tejidos normalmente saturados con gas, y también ubicadas en grietas de impurezas o poros de membrana. Estas burbujas se pueden detectar utilizando métodos acústicos especiales [15] . Otro tipo de "punto débil" en las estructuras biológicas puede ser la interfaz entre diferentes tejidos o medios, como la sangre y las paredes de los vasos sanguíneos. Los núcleos de cavitación se pueden crear intencionalmente, por ejemplo, cuando se usan agentes de contraste de eco ultrasónico [16] .
En el caso de que el agua estuviera perfectamente limpia y no contuviera inclusiones vapor-gas, podría soportar esfuerzos de tracción del orden de 1000 MPa [5] . Sin embargo, debido a la aparición espontánea de burbujas de vapor en él, la fuerza teórica del agua disminuye en un orden de magnitud y asciende a 100 MPa [5] . La fuerza real del agua en contacto con el aire y el polvo atmosférico resulta ser igual a unidades e incluso fracciones de megapascales [5] . De acuerdo con la acertada observación de Flynn [6] , cualquier agua en condiciones reales no necesita ser desgarrada, ya está desgarrada por los núcleos de cavitación que contiene.
Cuando se utilizan ondas ultrasónicas planas del rango de frecuencia de los megahercios, la cavitación en medios líquidos, en particular en medios biológicos con un contenido normal de gas, puede ocurrir a intensidades de solo 0,3 W / cm 2 , es decir, a amplitudes de presión sonora iguales a aproximadamente 1 atm o 0, 1 ( 17 ) [18] . En el modo de irradiación pulsada, así como con el aumento de la frecuencia de los ultrasonidos, con el aumento de la viscosidad del medio y con la disminución de su contenido de gas, los umbrales de cavitación aumentan notablemente, pero por lo general no superan varias atmósferas. Sin embargo, cuando se usa ultrasonido enfocado en situaciones similares, los umbrales de cavitación aumentan significativamente (en varios órdenes de magnitud) en comparación con los umbrales en campos ultrasónicos planos. Por ejemplo, la cavitación en los tejidos cerebrales de los animales de experimentación se produce a intensidades de ultrasonido en la región focal de cientos y miles de W/cm2 [ 19] . También se demostró que los umbrales de cavitación en el tejido muscular de un perro en el rango de frecuencia de 0,25-1,7 MHz eran de 5 MPa·MHz −1 en términos de presión sonora [20] , que para una frecuencia de 1 MHz es 50 veces más alto que el umbral de cavitación mencionado anteriormente en campo plano. El motivo de un aumento tan pronunciado de los umbrales de cavitación cuando se utilizan ultrasonidos focalizados está asociado a una serie de factores. En primer lugar, el volumen de la región focal del radiador de enfoque es mucho más pequeño que el área de influencia cuando se usan ondas ultrasónicas planas; en consecuencia, la probabilidad de encontrar núcleos de cavitación en la región focal también es baja.
Otro factor importante es que en el caso de los ultrasonidos focalizados, la cavitación ocurre en el propio medio líquido, y en el caso de las ondas ultrasónicas planas, ocurre principalmente en la interfase entre el emisor y el líquido. Dado que en cualquier superficie del emisor, incluso bien pulida, siempre hay microfisuras llenas de aire y que son "generadoras" de núcleos de cavitación [5] [6] [7] , la presencia de tales interfaces siempre contribuye a una fuerte disminución de la fuerza de cavitación del medio. La cavidad de cavitación, que surgió del germen de cavitación inicial, al colapsar, se divide en varias burbujas microscópicas de gas-vapor [5] , que sirven como núcleos prefabricados, sobre los cuales se desarrollarán nuevas cavidades de cavitación en ciclos posteriores de vibraciones ultrasónicas. Este proceso crece como una avalancha hasta alcanzar un cierto estado estacionario, correspondiente a la aparición de cavitación desarrollada en un medio líquido. En este caso, hay muchos núcleos de cavitación en el medio y la fuerza de cavitación del medio ya no corresponde a la fuerza inicial.
En la práctica, la intensidad del ultrasonido a la que se produce la cavitación en la muestra de prueba (por ejemplo, tejido) depende significativamente de muchos factores: la configuración del campo ultrasónico en el medio, la pureza del medio, el contenido de gas, la viscosidad, la temperatura, la presión externa, el historial de exposición a los ultrasonidos, la frecuencia de los ultrasonidos, etc. [1] . Por ejemplo, con un aumento de la presión externa, aumenta el umbral de cavitación. La amplitud de la presión acústica requerida para iniciar la cavitación disminuye a medida que aumenta el contenido de gas del líquido irradiado. Con un aumento en la temperatura del medio, el umbral de cavitación cae, y con un aumento en la viscosidad, aumenta. Por lo tanto, los valores de los umbrales de cavitación en tejidos presentados en la literatura no tienen sentido sin una descripción detallada de las condiciones bajo las cuales fueron medidos. Así, según datos publicados, los valores de los umbrales de cavitación en agua a una frecuencia de 1 MHz pueden variar de 1 a 2,7·10 3 W/cm 2 [21] .
Las burbujas de cavitación emiten un sonido que se puede grabar y analizar. Las mediciones del ruido de cavitación permiten no solo determinar la fuerza de cavitación del medio, sino también, en algunos casos, evaluar el grado de desarrollo de la cavitación. A intensidades bajas, subumbrales, sólo se emite en el medio la señal de la frecuencia fundamental de ultrasonido f . Sin embargo, a medida que aumenta la intensidad, el espectro de la señal emitida se vuelve más complejo y puede incluir armónicos superiores (por ejemplo, 2 f ), subarmónicos ( f /2, f /3, etc.) y ultraarmónicos (2 n +1) f/2 [ 1] [22] . La aparición de un armónico o subarmónico en el espectro de la señal se considera un indicador del movimiento no lineal de la burbuja. El surgimiento del subarmónico f /2 ha sido el más activamente estudiado , ya que es por él que se han obtenido múltiples evidencias de la existencia de una relación entre la radiación sonora y los efectos biológicos registrados [1] [22] .
Sin embargo, el mecanismo de aparición de subarmónicos, especialmente para la cavitación no inercial (estable), aún se está discutiendo [1] . Para la cavitación inercial (no estacionaria), aparentemente es más claro, ya que a una intensidad de sonido relativamente alta, las burbujas pueden emitir un subarmónico cuyo tiempo de vida antes del colapso es de dos períodos de vibraciones ultrasónicas. Probablemente, el mecanismo de emisión del subarmónico f /3 sea el mismo. También se sabe que cuando se produce actividad de cavitación en un campo ultrasónico, aumenta el nivel de ruido blanco, es decir, una señal con un espectro continuo en una amplia banda de frecuencias. El mecanismo de su aparición está asociado con varios efectos: excitación de la superficie de la burbuja, perturbaciones en el medio como resultado del rápido movimiento de las burbujas en un campo de alta intensidad y la formación de ondas de choque cuando las burbujas colapsan [1] .
Una medida de la actividad de la cavitación inercial es la medición de la sonoluminiscencia [23] (es decir, la emisión de luz de un líquido irradiado con ultrasonido), que se registró incluso en los parámetros ultrasónicos característicos de la aplicación diagnóstica de ultrasonido [24] . Al estudiar los mecanismos de la sonoluminiscencia (todavía no pueden considerarse del todo claros), los investigadores se han encontrado con los siguientes hechos [1] :
• el brillo disminuye con el aumento de la frecuencia del ultrasonido y no se observa a frecuencias superiores a 2 MHz;
• el brillo se produce a un cierto umbral de intensidad de ultrasonido y luego aumenta con el aumento de la intensidad, pero puede desaparecer cuando se alcanza una intensidad muy alta;
• el brillo disminuye con el aumento de la presión externa;
• el brillo disminuye al aumentar la temperatura del medio.
La sonoluminiscencia es una técnica útil para estudiar y monitorear la cavitación en líquidos. Sin embargo, este método no es aplicable al estudio de la cavitación en tejidos opacos.
Se pueden utilizar varios métodos para controlar la cavitación: físicos (incluidos los acústicos), químicos y biológicos (principalmente histológicos) [1] [2] [4] [25] [26] . Algunos de los métodos desarrollados sólo son adecuados para controlar la cavitación en suspensiones biológicas . Tales, por ejemplo, son métodos basados en el registro visual de cavidades de cavitación, el estudio de cambios en el flujo de luz que pasa a través de un medio con burbujas de cavitación, el estudio de cambios químicos en el medio (por ejemplo, los procesos de liberación de yodo de una solución de yoduro de potasio), el estudio de la degradación de macromoléculas , luminiscencia , etc. Estos métodos se discuten con suficiente detalle en las reseñas y libros anteriores.
Para controlar la cavitación en tejidos biológicos opacos in vivo , métodos acústicos basados en el registro de ruido acústico de banda ancha o subarmónicos que surgen en presencia de cavitación ultrasónica en el medio [1] [4] [9] [19] [20] [22] son los más utilizados . El ruido de cavitación se puede monitorear y analizar usando hidrófonos , cuya señal se alimenta a analizadores de espectro , filtros sintonizados a una frecuencia determinada (por ejemplo, subarmónicos) o voltímetros selectivos . También se utilizaron otros métodos acústicos: imágenes de ultrasonido ( principalmente B-scan), dispersión de ultrasonido, radiación de segundo armónico, etc. [1] [3] [4] [11] .
Hace tiempo que se conoce un método para medir los umbrales de cavitación, basado en el seguimiento de los cambios en la impedancia de un líquido irradiado durante la formación de burbujas de cavitación en él. Se ha demostrado que la impedancia del agua en un campo ultrasónico potente puede disminuir hasta en un 60 % [27] . El monitoreo de la impedancia se puede realizar midiendo el cambio en la señal eléctrica a través del transductor.
Los resultados de las mediciones de la actividad de cavitación se distorsionan significativamente si se coloca un hidrófono en la región focal. Por ello, se están desarrollando métodos que permitan realizar dichas mediciones de forma remota. Así, para controlar la cavitación en los tejidos cerebrales de los animales, se utilizó un método acústico “sin contacto”, basado en el uso de un emisor focalizador como receptor, mientras se registra un subarmónico [28] . o ruido de cavitación [29] .
Se ha desarrollado un dispositivo para controlar la cavitación creada en los tejidos utilizando un litotriptor [30] . El dispositivo, llamado detector de cavitación pasiva, consta de dos receptores confocales ortogonales cuyas regiones focales se cruzan. La dimensión transversal del volumen medido es de aproximadamente 5 mm. El ajuste preciso de la ubicación de los receptores en el espacio se logró utilizando un hidrófono en miniatura instalado en el punto focal. Varios autores [29] [30] [31] se dedican a las peculiaridades de medir la cavitación en la región focal de los litotriptores . [32] .
Los hidrófonos de fibra óptica también se utilizan para detectar la cavitación , cuya medida de presión se basa en el uso de un cambio inducido por ultrasonidos en el índice de refracción del medio [33] . Las características y los datos de prueba de dicho hidrófono se describen en detalle [34] .
La cavitación ultrasónica se utiliza para limpieza de sólidos (en particular, instrumental quirúrgico), desbarbado, dispersión , emulsificación, para la formación de aerosoles y humidificación de locales, en la industria alimentaria, etc. [5] .
Los métodos basados en el uso de cavitación acústica inercial se han desarrollado activamente en aplicaciones médicas de ultrasonido enfocado de alta potencia. Se creía que el modo de cavitación de la exposición de los tejidos debería evitarse debido a la naturaleza probabilística de la aparición de la cavitación y la escasa reproducibilidad de la forma y la ubicación del daño resultante. A pesar de esto, se demostró que el modo de exposición de cavitación en una serie de casos no solo es una alternativa al modo térmico de exposición de los tejidos generalmente aceptado y más comúnmente utilizado, sino que se convierte esencialmente en el único modo posible (y al mismo tiempo seguro). ) manera de implementar tales aplicaciones [4] .
Por ejemplo, el modo de cavitación se puede utilizar para la destrucción ultrasónica de estructuras cerebrales profundas (neurocirugía ultrasónica) a través de un cráneo intacto. En este caso, el uso del modo de exposición térmica tradicional conducirá inevitablemente a daños térmicos en el hueso del cráneo debido a la alta absorción de ultrasonido en este, mientras que el modo de cavitación ultrasónica puede ser bastante aceptable para lograr el objetivo [4] . La cavitación se puede utilizar para destruir las membranas celulares, lo que lleva a la necrosis celular. Esta propiedad se puede utilizar en cirugía ultrasónica. La cavitación puede ser un medio eficaz para aumentar la absorción en los tejidos y, en consecuencia, mejorar el componente térmico de la exposición ultrasónica debido a la formación de burbujas de gas en los tejidos, que aumentan considerablemente la absorción del sonido. A su vez, un aumento de la temperatura potencia la actividad de cavitación de los ultrasonidos, ya que un aumento de la temperatura tisular reduce el umbral de cavitación en los tejidos. Hay evidencia de que la cavitación, aparentemente, es el principal mecanismo de la llamada acción sonodinámica de los ultrasonidos, es decir, un aumento de la eficacia antitumoral de los fármacos cuando se usan en combinación con los ultrasonidos [35] . Otra posible aplicación de la cavitación en oncología puede basarse en la destrucción de los vasos sanguíneos que rodean el tumor, lo que conducirá al bloqueo del flujo sanguíneo en el mismo y, en consecuencia, a un aumento del efecto dañino de los ultrasonidos sobre las células tumorales [ 4] .
Una tradición muy antigua tiene un método de destrucción mecánica de las células de los tejidos por aplastamiento y desgarro debido a la aparición de ondas de choque cuando se colapsa una gran cantidad de burbujas de cavitación. Las características histológicas de tal verdadera destrucción por cavitación de la estructura celular de los tejidos difieren significativamente de la destrucción durante la necrosis tisular térmica. Curiosamente, el efecto de las altas presiones positivas sobre los tejidos generados durante la generación de ondas de choque no condujo por sí mismo a una destrucción apreciable de los tejidos tumorales in vivo , lo que se confirmó mediante métodos histológicos y citométricos [36] . Sin embargo, tan pronto como se generó una presión de sonido negativa antes del pico positivo de la presión de sonido, lo que aumentó considerablemente el número de burbujas de cavitación formadas, la destrucción se volvió extensa y bien reproducible [36] [37] [38] .
La actividad de la cavitación mejora significativamente con la introducción preliminar de microburbujas estables en los tejidos en forma de agentes de contraste de eco producidos industrialmente [16] . El umbral para la aparición de cavitación en los tejidos del riñón del animal se redujo 4 veces. Además, el umbral del efecto destructivo de los ultrasonidos también ha disminuido significativamente (100 veces en duración y 2 veces en intensidad). Reducir el umbral al introducir microburbujas que actúan como núcleos de cavitación puede hacer que la cavitación acústica sea un mecanismo más predecible y, por lo tanto, más aceptable para la práctica de la cirugía ultrasónica.
Con la introducción de sustancias de eco-contraste en los tejidos, se observa un aumento en la absorción de ultrasonido en el tejido debido a la aparición de burbujas de gas en el mismo [38] . En particular, se ha demostrado que la sección transversal de absorción de una burbuja de 1,1 μm (frecuencia resonante de 3 MHz) es de 0,005 mm 2 en resonancia , que es varios órdenes de magnitud mayor que el área física de dicha burbuja [38] . Las estimaciones muestran que es suficiente tener 8 burbujas resonantes en 1 mm 3 de tejido para que la absorción de sonido en él (y, en consecuencia, el efecto térmico del ultrasonido) aumente 2 veces. Se ha demostrado que la adición de agentes de ecocontraste al tejido aumenta el incremento de temperatura en el tejido bajo la acción del ultrasonido en un orden de magnitud [39] .
Los mecanismos de interacción de los agentes de contraste en forma de burbujas de gas con el ultrasonido, los efectos biológicos de las burbujas en un campo ultrasónico y las recomendaciones para su uso práctico seguro son objeto de una extensa literatura [40] [41] [42] [43 ] .
Una de las áreas de aplicación más prometedoras de la ecografía focalizada de alta intensidad en cirugía es la "histotricia" [44] . Una condición necesaria para su realización es la presencia de microburbujas en los tejidos ya sea en forma de agentes de contraste introducidos en el organismo, o burbujas remanentes en los tejidos tras la exposición previa. Estas microburbujas proporcionan umbrales de cavitación reproducibles, reducen significativamente los umbrales de fractura y contribuyen a la creación de centros de fractura más regulares. Los límites de tal destrucción son muy claros y suaves. La ventaja de la histotricia es que no solo las microburbujas, sino también los tejidos triturados mecánicamente son reconocidos por imágenes de ultrasonido. Esto hace posible obtener información fiable sobre la precisión de la localización de la destrucción y sobre la consecución del efecto terapéutico requerido, a veces en tiempo real. Los resultados de los experimentos realizados utilizando el modo de histotricia se presentan en una serie de artículos [45] [46] y se analizan en el libro [4] .
El modo de cavitación ultrasónica se utiliza con éxito en campos de la medicina como oncología , cirugía de próstata (próstata) y fibromas uterinos , destrucción de tejido detrás del tórax, tratamiento de fibrilación auricular , glaucoma , control de sangrado, terapia de ondas de choque , cirugía plástica , cosmetología , eliminación del dolor neuropático [47] , tratamiento del temblor esencial [48] , destrucción de un tumor intracerebral - glioblastoma [49] , tratamiento de la neuralgia del trigémino [50] , así como hemorragias intracerebrales [51] , enfermedad de Alzheimer , etc. (ver [4] )
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