Механізми взаємодії ультразвуку з речовиною

Найбільший практичний інтерес викликають наступні механізми взаємодії ультразвуку й фізичні ефекти в речовині: виділення тепла, радіаційний тиск, утвір конвекційних потоків і кавітація.

При проходженні ультразвуку в будь-якому середовищі механічна хвиля долає опір грузлих сил. Тому частина механічної енергії губиться в речовині й виділяється у вигляді тепла. Як випливає из теорії хвильових процесів, у міру поширення ультразвукової хвилі її інтенсивність зменшується за законом I = I_о e ^X , де - коефіцієнт поглинання, що залежить від в'язкості, щільності середовища й частоти хвилі. Оскільки частота ультразвуку досить велика, поглинання енергії й виділення тепла досить значно, особливо в матеріалах з високою щільністю ( у кістковій тканині). При впливі дуже інтенсивних ультразвукових випромінювань теплове нагрівання настільки виражене, що відбувається руйнування біологічних тканин. На цьому засноване хірургічне використання ультразвукових хвиль, і ультразвукові випромінювачі застосовуються як своєрідні скальпелі. За допомогою ультразвуку можна руйнувати не тільки м'які тканини, але й кістки.

Як ми вже відзначали, механічна хвиля натискає P = Zxm на перешкоду, яка зустрічається на її шляху. Не становить виключення й ультразвукові хвилі. Оскільки ультразвук має досить високу частоту , величина радіаційного тиску досить значна.

При поширенні ультразвукових хвиль у неоднорідних гетерогенних рідких середовищах виникають області з неоднаковим тиском, між якими відбувається переміщення рідини. потоки, що утворюються при цьому, звуться конвекційних. Вони сприяють перемішуванню середовища й збільшенню швидкостей хімічних реакцій.

У рідких середовищах при впливі высокоинтенсивного ультразвуку спостерігається явище, яке одержало назву кавітації ( від латинського слова cavum - порожнина). У цьому випадку утворюються порожнини, заповнені насиченим пором рідини. Утвір порожнин пояснюється тим, що в обсязі рідини, через який проходить ультразвукова хвиля, тиск змінюється із часом за синусоїдальним законом. В один з півперіодів тиск позитивний і виникаючі при цьому механічні сили прагнуть зблизити молекули середовища. У наступний півперіод, коли тиск стає негативним, механічні сили прагнуть збільшити відстань між молекулами. Якщо ці сили перевершують сили міжмолекулярного притягання, виникає "розрив" рідини й формується газова порожнина. При кавітації в рідких середовищах виникають дуже більші механічні напруги, здатні руйнувати будь-які матеріальні тіла. На цьому ефекті заснована стерилізація рідких середовищ у результаті кавитационного руйнування мікроорганізмів.

Застосування ультразвукового випромінювання в медицині

У медичній практиці ультразвук використовується для діагностики патологічних станів, терапевтичного й хірургічного лікування. Лікувальна дія ультразвуку заснована на термічному ефекті, формуванні конвекційних потоків і здатності створювати радіаційний тиск. При відносно низьких интенсивностях ультразвукової хвилі в м'яких тканинах організму, що містять достатню кількість розчинів, виникають конвекцонные потоки, які перемішують молекули хімічних сполук і прискорюють хімічні реакції й, отже, біологічні процеси. Цьому ж явищу сприяє й ультразвукове нагрівання тканини.

Рис. 8

На підставі радіаційного тиску ультразвуку в рідких середовищах розроблений метод лікування - фонофорез. Ця лікувальна процедура полягає в тому, що за допомогою радіаційного тиску в організм без ушкодження його поверхні вводять лікарські речовини. Для проведення фонофореза (див. мал. 62). На поверхню організму наносять шар розчину 2, що містить молекули 3 лікарської речовини й установлюють ультразвуковий випромінювач 1. При подачі змінної електричної напруги U виникає ультразвукове випромінювання, яке створює в розчині радіаційний тиск. Тому на молекули діють сили F, які змушують їх переміщатися в тканину. Швидкість уведення лікарської речовини залежить від інтенсивності ультразвуку (величини тиску й сили F), а також від опору тканини руху молекул. За допомогою фонофореза вдається вводити лікарські речовини в поверхово розташовані патологічні вогнища. Найпоширенішим методом є луна-локація - ультразвуковий метод діагностики патологічних станів, заснований на відбитті ультразвукової хвилі від тканин і органів людини. На малюнку 63 зображена схема, що ілюструє використання цього методу. На поверхню тіла встановлюється пьзокерамический елемент ПК, здатний на основі зворотного п'єзоефекту генерувати ультразвукові коливання й перетворювати ультразвукові хвилі за допомогою прямого п'єзоефекту. П'єзокристал може підключатися до генератора високочастотної електричної напруги або до електронного підсилювача В за допомогою перемикача П. Коли випромінюється ультразвук від генератора Г ₁ протягом часу t₁ подається імпульс високочастотної напруги й через поверхню організму надходить імпульс ультразвукового випромінювання з інтенсивністю Io. Протягом часу t₂ п'єзокристал підключений до електронного підсилювача. Ультразвуковий імпульс, поширюючись в організмі, досягає границі розділу між середовищами, що мають різні механічні імпеданси Z ₁ і Z₂. Чим сильніше відрізняються ці імпеданси, тим більше відбивається енергії I₁. Відбитий імпульс досягає п'єзокристала, перетвориться в змінну електричну напругу й після посилення надходить на вертикальні пластини електронно-променевої трубки (ЭЛТ). На горизонтальні пластини подається від генератора Г₂ пилкоподібна напруга U₂ рівномірний рух, що забезпечує, електронного променя по горизонталі. Початок руху променя збігається з моментом випромінювання ультразвукового імпульсу. Коли відбитий імпульс досягає ПК на ЭЛТ виникає імпульс через час t₁. Отже, за час t₁ ультразвуковий імпульс досягає границі розділу з органом і вертається назад, проходячи шлях, рівний 2l₁, де l₁ - відстань від поверхні тіла до органа. Знаючи час t₁, можна визначити ця відстань до органа: l₁ = C t _1/2, де З - швидкість поширення ультразвуку в організмі. При досягненні ультразвуку другої границі роздягнула відбувається відбиття в напрямку ПК ЭЛТ і через час t₂ виникає другий електричний імпульс. За цей час ультразвукова хвиля пройшла відстань 2l₂. Тоді відстань до другої границі роздягнула:

l₂ = С t_2/2.

Рис. 9.

Знаючи відстані l₁ і l₂,можна визначити товщину органа: d = l₂ - l₁ = C(t₂ - t₁ )/2. Таким чином, вимірюючи за допомогою електронного осцилографа час приходу відбитих імпульсів, можна одержати дуже коштовну діагностичну інформацію про морфологію (розмірах) внутрішніх органів. Якщо усередині органа перебувають патологічні вогнища, механічні імпеданси яких відрізняються від імпедансу тканини, то на ЭЛТ з'являються додаткові електричні імпульси (див. мал.64) . Реєструючи час їх появи, можна визначити розміри патологічного вогнища і його розташування усередині органа. Особливо ефективна луна-локація для виявлення каменів у бруньках і печінки.

У ході вдосконалювання методу ультразвуковий луна-локації були розроблені більш досконалі діагностичні апарати, що дозволяють не тільки реєструвати відбиті електричні імпульси, але й одержувати зображення внутрішніх органів і тканин. Необхідно підкреслити, що ультразвукова діагностика значно безопасней чому рентгенодіагностика. І тому вона одержала досить широке поширення особливе в

акушерстві для дослідження морфологічних особливостей плода.