УЛЬТРАЗВУК.ИНФРАЗВУК

Курс физики для студентов 1 курса медицинского факультета ОшГУ
Кафедра естественнонаучных дисциплин

Ультразвук и способы его получения
Особенности распространения ультразвука
Действие узльтразвука на вещество
Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике
Эффект Доплера
Инфразвук


Ультразвук – упругая продольная механическая волна частотой больше 20 000 Гц.

Обратный пьезоэлектрический эффект – возникновение ультразвука при воздействии на пьезокристалл переменным электрическим полем

Магнитострикционный метод - возникновение ультразвука (до 200 кГц) при воздействии на ферромагнетик переменным магнитным полем

Электромеханический

2) Магнитострикционный

под действием электрического тока пластинка пьезокристалла, в этом кристалле возникает механическая деформация
Пластинка начнет вибрировать, излучая механическую волну с частотой текущего в цепи электрического тока I.

УЗ-приёмник работает на принципе прямого пьезоэлектрического эффекта:
под действием механической УЗ-волны возникает деформация пластинки пьезокристалла, которая приводит к генерации в нём переменного электрического тока.

По физической природе УЗ не отличается от звука:
Ультразвук - это тоже продольная механическая волна.
При её распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды.
Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы.

Бóльшая интенсивность для УЗ-волны достигается легче, чем для звука.
Длина волны λ ультразвука существенно меньше длины звуковой волны.
при облучении УЗ можно различить детали гораздо мẻньших размеров, чем при облучении слышимым звуком, т.е. разрешение УЗ выше, чем у звука.

1. Имеет высокую частоту, то есть малую длину волны. Потому мало подвергается дифракции, а, следовательно, способен распространяться узкими и направленными пучками.

3. Часть УЗ волн проходит во вторую среду, частично поглощается в ней, и выходит наружу.

2. На границе между средами часть УЗ волн отражается. Коэффициент отражения УЗ зависит от соотношения акустических импедансов (сопротивлений) сред.

Относительно низкочастотный УЗ лучше поглощается.

Глубина полупоглощения – глубина, на которой интенсивность УЗ уменьшается вдвое.

Отражение на границе воздух/кожа

Звуковой импеданс Z у биологических сред в 3000 раз больше, чем у воздуха. Поэтому отражение на границе раздела мягкая ткань /воздух значительно больше, чем на границе мягкая ткань/жидкость.

Отражение на границе воздух/кожа составляет 99,99%.

Вывод: если УЗ-излучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем смазки, которая выполняет роль переходной среды, уменьшающей отражение.
Смазка должна удовлетворять следующим требованиям:
иметь звуковой импеданс Z, близкий к Z кожи;
слабо поглощать УЗ;
иметь значительную вязкость (чтобы смазка не растекалась по коже);
хорошо смачивать кожу;
быть нетоксичной.
Примеры смазки для УЗ- исследований (УЗИ): вазелиновое масло, глицерин и др.

Кожа

Микромассаж
клеток и тканей

Разрушение
биомакромолекул,

Изменение
проницаемости БМ

33%→в тепло→
ткани прогреваются

образование
биологически
активных
молекул
активность
ферментов

Ионизация и диссоциация молекул вещества

Разрушение
клеток и микроорганизмов

Пример: При облучении УЗ в течение 10 минут брюшной полости собаки температура печени увеличилась на 0,5 0 С, в жировой ткани на 3 0 С, а в мышечной на 5 0 С.

б) Кавитация. При распространении УЗ в жидкости в областях разряжения возникают растягивающие силы, которые приводят к разрыву в сплошной жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости.
Это явление называется кавитацией.
Кавитации существуют недолго. Пузырьки быстро захлопываются, что сопровождается сильным разогревом их содержимого. При этом выделяются газы, содержащие атомарные и ионизированные компоненты. В результате вещество в области кавитаций подвергается интенсивным воздействиям: в небольших объёмах выделяется значительная энергия, поэтому происходит разогрев вещества, ионизация и диссоциация молекул.
При интенсивностях меньше I= 0,8104 Вт/м2, кавитации не происходят.

а) Деформация. При распространении УЗ-волны в веществе развиваются деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением его частиц (т.к. УЗ-волна является продольной).
В зависимости от интенсивности I эти деформации могут вызывать либо незначительные структурные изменения, либо её разрушение. Это используется при измельчении или диспергировании сред.

Тепловое действие

в) Выделение тепла. Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии в тепловую. Тепло образуется в областях, примыкающих к границам раздела сред с различными звуковыми импедансами Z. Тепло выделяется и при отражении ультразвука. При этом интенсивность I волны вблизи границы увеличивается, поэтому возрастает и количество поглощенной энергии Епогл.
В этом можно убедиться экспериментально: если к влажной руке приложить излучатель УЗ, то скоро на противоположной стороне ладони возникает ощущение, похожее на боль от ожога, вызванное ультразвуком, отражённым от границы кожа–воздух.

Сегодня принцип кавитации применяют в различных областях медицины: в стоматологии — для удаления зубного налета и камняв нефрологии — для удаления камней в почкахв аппаратной косметологии – для борьбы с жировыми отложениями. Для лечения и очистки гнойных рандезинфекции и эмульгирования растворовсоздания ингаляционных смесей.

Кавитация – это один из современных методов избавления от излишних жировых отложений.

г) Химические реакции. При действии УЗ в веществе происходит диссоциация и ионизация молекул, а также могут происходить как окислительные, так и восстановительные реакции, причём даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы.
Применение УЗ в медицине давно не ограничивается только диагностикой.

Физико-химическое действие

Терапевтическое действие ультразвука обусловлено механическим, тепловым и физико-химическим факторами

Фонофорез - введение с помощью ультразвука в ткани через поры кожи некоторых лекарственных веществ (гидрокортизона, тетрациклина и др.).

Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике

Ультразвуковая хирургия

Ультразвуковой скальпель – рассечение тканей

Ультразвуковой остеосинтез – «сваривания» тканей

Удаление опухолей в мозговой ткани без вскрытия черепной коробки

Дробление почечных камней

В фармацевтической промышленности – создание эмульсий, лекарств, аэрозолей

В хирургии - стерилизация медицинских инструментов

Для ориентировки слепых в пространстве

УЗ остеосинтез= соединение поврежденных (сломанных) костей

Частота 55 кГц

УЗ скальпель HARMONIC

Эффект Доплера
 
Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем, вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.
При одновременном сближении источника волн и наблюдателя воспринимается частота

(а)

При одновременном удалении источника волн и наблюдателя воспринимается частота

(б)

Источник звука неподвижен

Источник звука приближается к уху

Источник звука удаляется от уха

где v – скорость распространения УЗ волны, vн -скорость наблюдателя, vи -скорость источника, νи -частота излучения источника, νв -частота воспринимаемых волн.
Из формул (а) и (б) видно, что если источник и приемник сближаются друг с другом, то , если же удаляются, то .

• скорости движения тела в среде,

• скорости кровотока,

• скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография)

для оценки скорости кровотока в сосуде

На кровеносный сосуд направляется ультразвук с частотой , а затем приемником регистрируется отраженный от движущихся эритроцитов крови сигнал частоты .
Специальное устройство сравнения находит разность частот (доплеровский сдвиг частоты):



где υ- cкорость УЗ-волны.
Эта разность оказывается пропорциональной скорости эритроцита , примерно равной скорости движения крови в сосуде. При этом можно оценить величину скорости и определить ее направление.

Излучатель УЗ

Генератор электрических колебаний

Устройство сравнения частот

приемник

УЗ волна

Отраженная УЗ - волна

кровеносный сосуд

Сигнал доплеровского сдвига

движущиеся эритроциты

υ0 – скорость движения эритроцитов
υ – скорость УЗ
νГ – частота генератора
νД – доплеровский сдвиг частот

Инфразвук и его воздействие на человека

Инфразвук – механическая волна с частотой менее 16 Гц
Действие на человека: раздражение, угнетающее настроение, головная боль, усталость.

Инфразвук (от лат. infra — ниже, под), представляет собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде с частотами менее 16 Гц.

Естественные источники:
Землетрясения
Бури
Ураганы
Цунами

Техногенные источники:
Станки
Вентиляторы
Котельные
Транспорт
Подводные и подземные взрывы
Ветряные электростанции

ощущение вращения,
раскачивания,
непроизвольное вращение глазных яблок,
сильная боль в ушах,
сильная депрессия,
головные боли,
страх,
неадекватное поведение людей, склонность к suicide.
При нарастании до 150 дБ действует на ЖКТ, нарушается функция мозга, слабость, обморок, потеря зрения и слуха.