Pomimo faktu, że badania nad falami ultradźwiękowymi rozpoczęły się ponad sto lat temu, dopiero w ciągu ostatniego półwiecza znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach ludzkiej działalności. Wynika to z aktywnego rozwoju zarówno kwantowej, jak i nieliniowej sekcji akustyki, a także elektroniki kwantowej i fizyki ciała stałego. Dziś ultradźwięki to nie tylko określenie obszaru wysokiej częstotliwości fal akustycznych, ale cały kierunek naukowy we współczesnej fizyce i biologii, który jest związany z technologiami przemysłowymi, informatycznymi i pomiarowymi oraz metodami diagnostycznymi, chirurgicznymi i terapeutycznymi nowoczesna medycyna.
Co to jest?
Wszystkie fale dźwiękowe można podzielić na te, które są słyszalne dla człowieka - są to częstotliwości od 16 do 18 tys. Hz oraz te, które są poza zasięgiem ludzkiej percepcji - podczerwień i ultradźwięki. Infradźwięki rozumiane są jako fale podobne do dźwięku, ale o częstotliwościach niższych niż te, które odbiera ludzkie ucho. Górna granica obszaru infradźwiękowego to 16 Hz, a dolna granica to 0,001 Hz.
Ultradźwięki- to też są fale dźwiękowe, ale tylko ich częstotliwość jest wyższa niż odbierany przez ludzki aparat słuchowy. Z reguły mają na myśli częstotliwości od 20 do 106 kHz. Ich górna granica zależy od ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. Tak więc w ośrodku gazowym granica wynosi 106 kHz, a w ciałach stałych i cieczach osiąga 1010 kHz. W szumie deszczu, wiatru czy wodospadów, wyładowaniach piorunów i szelestach toczonych przez morską falę kamyków pojawiają się ultradźwięki. To właśnie dzięki umiejętności odbierania i analizowania fal ultradźwiękowych wieloryby i delfiny, nietoperze i nocne owady orientują się w przestrzeni.
Trochę historii
Pierwsze badania ultradźwięków (USA) zostały przeprowadzone na początku XIX wieku przez francuskiego naukowca F. Savarta, który starał się ustalić górną granicę częstotliwości słyszalności ludzkiego aparatu słuchowego. W przyszłości badaniem fal ultradźwiękowych zajmowali się tak znani naukowcy jak Niemiec V. Vin, Anglik F. G alton, Rosjanin P. Lebedev oraz grupa studentów.
W 1916 roku francuski fizyk P. Langevin, we współpracy z rosyjskim naukowcem-emigrantem Konstantinem Shilovsky, był w stanie wykorzystać kwarc do odbierania i emitowania ultradźwięków do pomiarów morskich i wykrywania obiektów podwodnych, co pozwoliło naukowcom stworzyć pierwszy sonar, składający się z nadajnika i odbiornika ultradźwięków.
W 1925 roku Amerykanin W. Pierce stworzył urządzenie, dziś zwane interferometrem Pierce'a, które mierzy prędkości i pochłanianie z dużą dokładnościąultradźwięki w mediach ciekłych i gazowych. W 1928 roku sowiecki naukowiec S. Sokołow jako pierwszy zastosował fale ultradźwiękowe do wykrywania różnych defektów w ciałach stałych, w tym metalicznych.
W powojennych latach 50. i 60., w oparciu o teoretyczne opracowania zespołu radzieckich naukowców pod kierownictwem L. D. Rozenberga, ultradźwięki zaczęły być szeroko stosowane w różnych dziedzinach przemysłu i technologii. Jednocześnie dzięki pracy naukowców brytyjskich i amerykańskich, a także badaniom badaczy radzieckich, takich jak R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov i wielu innych, dynamicznie rozwija się taka dyscyplina naukowa, jak akustyka nieliniowa.
Mniej więcej w tym samym czasie podjęto pierwsze amerykańskie próby zastosowania ultradźwięków w medycynie.
Radziecki naukowiec Sokołow pod koniec lat czterdziestych ubiegłego wieku opracował teoretyczny opis instrumentu przeznaczonego do wizualizacji obiektów nieprzezroczystych – mikroskopu „ultradźwiękowego”. Na podstawie tych prac w połowie lat 70-tych eksperci ze Stanford University stworzyli prototyp skaningowego mikroskopu akustycznego.
Funkcje
Mając wspólny charakter, fale o zasięgu słyszalnym, a także fale ultradźwiękowe, podlegają prawom fizyki. Jednak ultradźwięki mają szereg cech, które pozwalają na szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach nauki, medycyny i technologii:
1. Mała długość fali. Dla najniższego zakresu ultradźwiękowego nie przekracza on kilku centymetrów, co powoduje promieniowy charakter propagacji sygnału. W tym samym czasie falaskupione i propagowane przez wiązki liniowe.
2. Niewielki okres oscylacji, dzięki któremu ultradźwięki mogą być emitowane w impulsach.
3. W różnych środowiskach drgania ultradźwiękowe o długości fali nieprzekraczającej 10 mm mają właściwości zbliżone do promieni świetlnych, co pozwala na skupienie drgań, uformowanie promieniowania skierowanego, czyli nie tylko przesłanie energii we właściwym kierunku, ale także skupienie jej w wymagana głośność.
4. Przy niewielkiej amplitudzie możliwe jest uzyskanie wysokich wartości energii drgań, co umożliwia tworzenie wysokoenergetycznych pól i wiązek ultradźwiękowych bez użycia dużego sprzętu.
5. Pod wpływem ultradźwięków na środowisko występuje wiele specyficznych efektów fizycznych, biologicznych, chemicznych i medycznych, takich jak:
- rozproszenie;
- kawitacja;
- odgazowywanie;
- ogrzewanie lokalne;
- dezynfekcja i nie tylko. inne
Wyświetlenia
Wszystkie częstotliwości ultradźwiękowe są podzielone na trzy typy:
- ULF - niski, w zakresie od 20 do 100 kHz;
- MF - średni zakres - od 0,1 do 10 MHz;
- UZVCh - wysoka częstotliwość - od 10 do 1000 MHz.
Dziś praktyczne zastosowanie ultradźwięków to przede wszystkim wykorzystanie fal o niskiej intensywności do pomiaru, kontroli i badania wewnętrznej struktury różnych materiałów i produktów. Wysokie częstotliwości służą do aktywnego oddziaływania na różne substancje, co pozwala na zmianę ich właściwościi struktura. Diagnostyka i leczenie wielu chorób za pomocą ultradźwięków (przy użyciu różnych częstotliwości) to odrębna i aktywnie rozwijająca się dziedzina współczesnej medycyny.
Gdzie to ma zastosowanie?
W ostatnich dziesięcioleciach ultradźwiękami interesują się nie tylko teoretycy naukowi, ale także praktycy, którzy coraz częściej wprowadzają je do różnych rodzajów działalności człowieka. Obecnie jednostki ultradźwiękowe są używane do:
| Uzyskiwanie informacji o substancjach i materiałach | Wydarzenia | Częstotliwość w kHz | ||
| od | do | |||
| Badania nad składem i właściwościami substancji | ciała stałe | 10 | 106 | |
| płyny | 103 | 105 | ||
| gazy | 10 | 103 | ||
| Kontroluj rozmiary i poziomy | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopia | 100 | 105 | ||
| Diagnostyka medyczna | 103 | 105 | ||
|
Wpływy o substancjach |
Lutowanie i powlekanie | 10 | 100 | |
| Spawanie | 10 | 100 | ||
| Odkształcenie tworzyw sztucznych | 10 | 100 | ||
| Obróbka | 10 | 100 | ||
| Emulgacja | 10 | 104 | ||
| Krystalizacja | 10 | 100 | ||
| Spray | 10-100 | 103-104 | ||
| Koagulacja aerozolowa | 1 | 100 | ||
| Rozproszenie | 10 | 100 | ||
| Sprzątanie | 10 | 100 | ||
| Procesy chemiczne | 10 | 100 | ||
| Wpływ na spalanie | 1 | 100 | ||
| Chirurgia | 10 do 100 | 103 do 104 | ||
| Terapia | 103 | 104 | ||
| Przetwarzanie i zarządzanie sygnałami | Przetworniki akustoelektroniczne | 103 | 107 | |
| Filtry | 10 | 105 | ||
| Linie opóźniające | 103 | 107 | ||
| Urządzenia akustyczno-optyczne | 100 | 105 | ||
W dzisiejszym świecie ultradźwięki są ważnym narzędziem technologicznym w branżach takich jak:
- metalurgiczny;
- chemiczne;
- rolniczy;
- tekstylne;
- jedzenie;
- farmakologiczne;
- produkcja maszyn i przyrządów;
- petrochemia, rafinacja i inne.
Ponadto ultradźwięki są coraz częściej wykorzystywane w medycynie. O tym będziemy mówić w następnej sekcji.
Zastosowanie medyczne
We współczesnej medycynie praktycznej istnieją trzy główne obszary zastosowania ultradźwięków o różnych częstotliwościach:
1. Diagnostyka.
2. Terapeutyczny.
3. Chirurgiczne.
Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z tych trzech obszarów.
Diagnoza
Jedną z najnowocześniejszych i najbardziej pouczających metod diagnostyki medycznej jest ultrasonografia. Jego niewątpliwymi zaletami są: minimalny wpływ na tkanki ludzkie oraz wysoka zawartość informacji.
Jak już wspomniano, ultradźwięki to fale dźwiękowe,propagujące w jednorodnym ośrodku w linii prostej i ze stałą prędkością. Jeśli na ich drodze znajdują się obszary o różnych gęstościach akustycznych, część drgań zostaje odbita, a druga część załamana, kontynuując swój ruch prostoliniowy. Zatem im większa różnica w gęstości ośrodków granicznych, tym więcej drgań ultradźwiękowych jest odbijanych. Nowoczesne metody badania USG można podzielić na lokalizacyjne i półprzezroczyste.
Lokalizacja ultradźwiękowa
W trakcie takiego badania rejestrowane są impulsy odbite od granic mediów o różnych gęstościach akustycznych. Za pomocą ruchomego czujnika można ustawić rozmiar, położenie i kształt badanego obiektu.
Przezroczysty
Ta metoda opiera się na fakcie, że różne tkanki ludzkiego ciała w różny sposób pochłaniają ultradźwięki. Podczas badania dowolnego narządu wewnętrznego kierowana jest do niego fala o określonej intensywności, po czym transmitowany sygnał jest rejestrowany z odwrotnej strony za pomocą specjalnego czujnika. Obraz skanowanego obiektu jest odtwarzany na podstawie zmiany natężenia sygnału na „wejściu” i „wyjściu”. Otrzymane informacje są przetwarzane i konwertowane przez komputer w postaci echogramu (krzywej) lub sonogramu - obraz dwuwymiarowy.
Metoda Dopplera
Jest to najbardziej aktywnie rozwijająca się metoda diagnostyczna, która wykorzystuje ultradźwięki zarówno pulsacyjne, jak i ciągłe. Dopplerografia jest szeroko stosowana w położnictwie, kardiologii i onkologii, ponieważ pozwalaśledź nawet najmniejsze zmiany w naczyniach włosowatych i małych naczyniach krwionośnych.
Obszary zastosowania diagnostyki
Obecnie obrazowanie ultrasonograficzne i metody pomiarowe są najczęściej stosowane w dziedzinach medycyny, takich jak:
- położnictwo;
- okulistyka;
- kardiologia;
- neurologia noworodków i niemowląt;
- badanie narządów wewnętrznych:
- USG nerek;
- wątroba;
- pęcherzyk żółciowy i przewody;
- żeński układ rozrodczy;
diagnoza narządów zewnętrznych i powierzchownych (tarczyca i gruczoły sutkowe)
Zastosowanie w terapii
Główny efekt terapeutyczny ultradźwięków wynika z ich zdolności przenikania do tkanek ludzkich, ich nagrzewania i rozgrzewania oraz wykonywania mikromasażu poszczególnych obszarów. Ultradźwięki mogą być stosowane zarówno do bezpośredniego, jak i pośredniego wpływu na ognisko bólu. Ponadto w określonych warunkach fale te działają bakteriobójczo, przeciwzapalnie, przeciwbólowo i przeciwskurczowo. Ultradźwięki wykorzystywane do celów terapeutycznych są warunkowo podzielone na wibracje o wysokiej i niskiej intensywności.
To fale o niskiej intensywności są najczęściej używane do stymulowania reakcji fizjologicznych lub niewielkiego, nieniszczącego ogrzewania. Leczenie ultradźwiękami przyniosło pozytywne rezultaty w chorobach takich jak:
- artretyzm;
- artretyzm;
- myalgia;
- zapalenie kręgosłupa;
- neuralgia;
- żylaki i owrzodzenia troficzne;
- Zsztywniające zapalenie stawów kręgosłupa;
- zanikające zapalenie wsierdzia.
Trwają badania nad wykorzystaniem ultradźwięków do leczenia choroby Meniere'a, rozedmy płuc, wrzodów dwunastnicy i żołądka, astmy, otosklerozy.
Chirurgia ultradźwiękowa
Nowoczesna chirurgia wykorzystująca fale ultradźwiękowe dzieli się na dwa obszary:
- selektywne niszczenie obszarów tkanek za pomocą specjalnie kontrolowanych fal ultradźwiękowych o wysokiej intensywności o częstotliwościach od 106 do 107 Hz;
- przy użyciu instrumentu chirurgicznego z nałożonymi wibracjami ultradźwiękowymi od 20 do 75 kHz.
Przykładem selektywnej chirurgii ultradźwiękowej jest kruszenie kamieni przez ultradźwięki w nerkach. W procesie tak nieinwazyjnej operacji fala ultradźwiękowa działa na kamień przez skórę, czyli poza organizm człowieka.
Niestety ta metoda chirurgiczna ma wiele ograniczeń. Nie używaj kruszenia ultradźwiękowego w następujących przypadkach:
- kobiety w ciąży w dowolnym momencie;
- jeśli średnica kamieni jest większa niż dwa centymetry;
- na wszelkie choroby zakaźne;
- w obecności chorób, które zakłócają normalne krzepnięcie krwi;
- w przypadku poważnych zmian kostnych.
Pomimo faktu, że usuwanie kamieni nerkowych za pomocą ultradźwięków odbywa się bez operacjinacięcia, jest dość bolesna i wykonywana w znieczuleniu ogólnym lub miejscowym.
Chirurgiczne narzędzia ultradźwiękowe są używane nie tylko do mniej bolesnego rozcinania kości i tkanek miękkich, ale także do zmniejszenia utraty krwi.
Zwróćmy uwagę na stomatologię. Ultradźwięki usuwają kamienie zębowe mniej boleśnie, a wszelkie inne zabiegi lekarza są znacznie łatwiejsze do zniesienia. Ponadto w praktyce urazowej i ortopedycznej ultradźwięki są wykorzystywane do przywracania integralności złamanych kości. Podczas takich operacji przestrzeń pomiędzy fragmentami kości wypełniana jest specjalnym związkiem składającym się z wiórów kostnych i specjalnego płynnego tworzywa sztucznego, a następnie poddawana jest działaniu ultradźwięków, dzięki którym wszystkie elementy są mocno połączone. Ci, którzy przeszli interwencje chirurgiczne, podczas których zastosowano ultradźwięki, pozostawiają różne recenzje - zarówno pozytywne, jak i negatywne. Należy jednak zauważyć, że zadowolonych pacjentów wciąż jest więcej!
