Механизмы взаимодействия ультразвука с веществом

Наибольший практический интерес вызывают следующие механизмы взаимодействия ультразвука и физические эффекты в веществе: выделение тепла, радиационное давление, образование конвекционных потоков и кавитация.

При прохождении ультразвука в любой среде механическая волна преодолевает сопротивление вязких сил. Поэтому часть механической энергии теряется в веществе и выделяется в виде тепла. Как следует из теории волновых процессов, по мере распространения ультразвуковой волны ее интенсивность уменьшается по закону I = I_о e ^X , где - коэффициент поглощения, зависящий от вязкости, плотности среды и частоты волны. Поскольку частота ультразвука достаточно велика, поглощение энергии и выделение тепла достаточно значительно, особенно в материалах с высокой плотностью (в костной ткани). При воздействии очень интенсивных ультразвуковых излучений тепловой нагрев настолько выражен, что происходит разрушение биологических тканей. На этом основано хирургическое использование ультразвуковых волн, и ультразвуковые излучатели применяются как своеобразные скальпели. С помощью ультразвука можно разрушать не только мягкие ткани, но и кости.

Как уже отмечалось, механическая волна оказывает давление P = ZX_m на препятствие, которое встречается на ее пути. Не составляет исключения и ультразвуковые волны. Поскольку ультразвук имеет достаточно высокую частоту , величина радиационного давления довольно значительная.

При распространении ультразвуковых волн в неоднородных гетерогенных жидких средах возникают области с неодинаковым давлением, между которыми происходит перемещение жидкости. Образующиеся при этом потоки носят название конвекционных. Они способствуют перемешиванию среды и увеличению скоростей химических реакций.

В жидких средах при воздействии высокоинтенсивного ультразвука наблюдается явление, которое получило название кавитации (от латинского слова cavum - полость). В этом случае образуются полости, заполненные насыщенным паром жидкости.

Образование полостей объясняется следующим механизмом.В объеме жидкости, через который проходит ультразвуковая волна, давление изменяется с течением времени по синусоидальному закону. В один из полупериодов давление положительное и возникающие при этом механические силы стремятся сблизить молекулы жидкой среды. В следующий полупериод, когда давление становится отрицательным, механические силы стремятся увеличить расстояние между молекулами. Если эти силы превосходят силы межмолекулярного притяжения, возникает "разрыв" жидкости и формируется газовая полость. При кавитации в жидких средах возникают очень большие механические напряжения, способные разрушать любые материальные тела. На этом эффекте основана стерилизация жидких сред в результате кавитационного разрушения микроорганизмов.

Применение ультразвукового излучения в медицине

В медицинской практике ультразвук используется для диагностики патологических состояний, терапевтического и хирургического лечения. Лечебное действие ультразвука основано на термическом эффекте, формировании конвекционных потоков и способности создавать радиационное давление. При относительно низких интенсивностях ультразвуковой волны в мягких тканях организма, содержащих достаточное количество растворов, возникают конвекцонные потоки , которые перемешивают молекулы химических соединений и ускоряют химические реакции и, следовательно, биологические процессы. Этому же явлению способствует и ультразвуковое нагревание ткани.

На основании радиационного давления ультразвука в жидких средах разработан метод лечения - фонофорез. Эта лечебная процедура заключается в том, что с помощью радиационного давления в организм без повреждения его поверхности вводят лекарственные вещества. Для проведения фонофореза (см. рис. 62). На поверх-

Рис. 62 ность организма наносят слой раствора 2, содержащий молекулы 3 лекарственного вещества и устанавливают ультразвуковой излучатель 1. При подаче переменного электрического напряжения U возникает ультразвуковое излучение, которое создает в растворе радиационное давление. Поэтому на молекулы действуют силы F, которые заставляют их перемещаться в ткань. Скорость введения лекарственного вещества зависит от интенсивности ультразвука (величины давления и силы F), а также от сопротивления ткани движению молекул. С помощью фонофореза удается вводить лекарственные вещества в поверхностно расположенные патологические очаги. Наиболее перспективно применение фонофореза в стоматологии, поскольку слизистая полости рта оказывает значительно меньшее сопротивление перемещению молекул, чем кожа.

Особенно широкое применение ультразвук нашел для диагностики патологических состояний. Этот метод основан на физических механизмах взаимодействия ультразвукового излучения с тканями организма.