ЯГМА
Медицинская физика
Фармацевтический факультет
1 Курс
2 семестр
Лекция № 2.
« Ультразвук »
Составил: Крайнова Е.Ю.
2003 г.
. Ультразвук. Его виды. Источники ультразвука.
Ультразвук (УЗ) – это механические колебания, распространяющиеся в виде продольных волн в упругих средах с частотой свыше 20000 Гц.
По частоте УЗ различают:
-
УЗ низких частот (2104 105 Гц).
-
УЗ средних частот (105 107 Гц).
-
УЗ высоких частот (107 109 Гц).
-
Гиперзвук (109 1012 Гц).
Источники УЗ
естественные искусственные
Живые неживые Акустико- пьезо- магнитно-
(дельфин, (ветер, шум механические электрические стрекционные.
летучие листьев,
мыши) обвал,гроза).
1. Акустико-механические – их работа основана на прерывании струи газа или жидкости. Это воздушные или жидкостные свистки. Их недостаток - это нестабильность частоты и амплитуды, их область применения ограничена.
2. Пьезоэлектрические – основаны на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Его сущность: под действием электрического поля происходит механическая деформация тел (сжатие и растяжение). При этом возникают колебания, частота которых зависит от частоты изменения знака потенциала на гранях кристалла. Он начинает вибрировать, излучая механическую волну (УЗ) с соответствующей частотой. Вещества, в которых хорошо выражены пьезоэлектрические свойства - кристаллические диэлектрики (кварц, сегнетова соль).
3. Магнитно-стрикционные – их работа основана на явлении магнитострикции, то есть способности ферромагнитных материалов (кобальт, никель, их сплавы, ферриты), помещённых в переменное магнитное поле, изменять свои размеры с частотой равной частоте поля. При этом возникает УЗ-волна:
Такие преобразователи дешевле пьезоэлектрических, но не могут работать при высоких температурах.
. УЗ генератор. Принципы его работы.
Это техническое устройство для получения и выявления УЗ.
Он состоит:
1.Ламповый или полупроводниковый генератор электрических колебаний УЗ частоты.
2.Излучатель УЗ, преобразующий электрические колебания в механические.
Принцип работы: от генератора к излучателю поступает переменное
электрическое напряжение нужной частоты и мощности. При этом между электродами создаётся переменное электрическое поле, под действием которого кварцевая пластинка изменяет свои линейные размеры. При этом возникают механические колебания в среде в виде ультразвука.
В медицине генератор используется для диагностики, терапии, хирургии, для научных исследований.
Для диагностики – используется генератор с частотой 5-6 МГц и излучатели пьезоэлектрического типа.
В терапии – = 880 кГц, излучатели пьезоэлектрического типа.
В хирургии – = 100 кГц, излучатели магнитострикционного типа, работающие либо в непрерывном, либо в импульсивном режиме.
Особенности и свойства УЗ при его распространении в среде.
При достаточно больших частотах (малых ), УЗ обладает некоторыми свойствами:
1.УЗ имеет малую «», поэтому дифракция (огибание) происходит на объектах малых размеров. Другие препятствия УЗ огибает плохо и оставляет за ними «акустическую тень»
при = 1 кГц = 1,5 м
= 1 МГц = 1,5 мм.
2. УЗ обладает направленностью и может фокусироваться в узкие направленные пучки с помощью специальных линз или придания определённой формы излучателю.
3. УЗ поглощается при взаимодействии со средой и это в значительной степени зависит от его частоты и свойств самой среды. В различных тканях интенсивность поглощения УЗ разная. Глубина, на которой интенсивность УЗ уменьшается вдвое, называется глубиной полупоглощения.
На частоте = 1 МГц глубина полупоглощения:
-
в мышечной ткани – 2,1 см
-
в жировой ткани – 3,3 см
-
в костной ткани – 0,23см
-
в крови – 35,0см.
Поглощение в жидкой среде намного меньше, чем в мягких тканях, особенно, в костной.
4. УЗ может преломляться, отражаться, рассеиваться. Преломление и отражение наблюдается при прохождении УЗ через границу раздела сред с различным акустическим сопротивлением. Почти полное отражение наблюдается при переходе УЗ из твёрдого тела в жидкость или газ. На границе вода-воздух отражение 99% , следовательно, при введении УЗ в ткань между телом человека и излучателем должна быть связующая среда (водная, масляная).
Z2 – Z1 2
r = — коэффициент отражения.
Z2 + Z1
кгм кг
Z = — акустическое сопротивление = =
м3с м2 с
. Виды физического воздействия УЗ
И их характеристика.
-
Тепловое – обусловлено поглощением УЗ в среде, в результате чего выделяется тепло, то есть механическая энергия УЗ волны переходит в тепловую. Это обусловлено:
-
периодическим сжатием участков среды;
-
трением частиц среды, особенно выраженном на границе раздела;
-
поглощением УЗ средой;
Так как поглощение УЗ различно различными средами, то и выделение тепла не будет одинаковым. При jУЗ = 5 Вт/см2 и t = 1 мин. Температура мышц повышается на 1 0С, а костного мозга на 5 0С.
Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Ткани со сложной структурой более чувствительны, чем однородные. Локальный нагрев ткани на доли градусов увеличивает жизнедеятельность биологических объектов, интенсивность процессов обмена. Длительное воздействие приводит к перегреву.
-
Механическое – обусловлено переменным давлением, возникающим в среде при прохождении УЗ. Перепады давления приводят в колебательное движение частицы среды, что обуславливает его «дробящее» действие и более равномерное распределение частиц по всему объёму (приготовление эмульсий, аэрозолей и т.п.). При распространении УЗ в жидкости в момент разряжения (УЗ – продольная волна) происходит микроразрыв жидкости – то есть образуется полость, в которую устремляются растворённые в жидкости газы и пары самой жидкости (образуется кавитационный пузырёк). В момент сжатия происходит захлопывание пузырьков. При этом создаются кратковременные (t 10-6 с) импульсы давления ( 108 Па и более). Они способны разрушить весьма прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатным нагревом газа в пузырьке и его ионизацией. Кавитация происходит при j 8 кВт/м2.
Ещё одно механическое воздействие УЗ волн – возникновение акустических
потоков – звуковой ветер. С их помощью перемешиваются жидкости.
-
Физико-химическое – тесно связано с явлением кавитации, так как в кавитационных пузырьках кроме больших давлений возникают электрические потенциалы, что приводит, в частности, к образованию свободных радикалов и атомарного водорода в воде. Под действием УЗ происходят процессы окисления в некоторых растворах, а также ускоряются различные химические процессы (звуковая химия).
-
Биофизическое действие уз. Особенности распространения уз в тканях.
Комплексное действие УЗ на биологические объекты основано на механических, тепловых и химических факторах. Биологическое действие УЗ зависит от частоты, интенсивности, от времени действия, от типа ткани, её физиологического состояния, от вида воздействия.
В медицине выделяют УЗ разных интенсивностей:
Малые и средние величины – оказывают положительный биологический эффект (стимуляция роста и развития клеток способствует жизнедеятельности объекта, повышает интенсивность обмена веществ). Микромассаж тканей происходит за счёт микровибрации на клеточном и субклеточном уровне.
Высокие и сверхвысокие интенсивности - вызывают замедление роста клеток, разрушение биоструктур. Например, большие дозы УЗ снижают активность вирусов гриппа почти в тысячу раз, а некоторые бактерии (стрептококки, стафилококки) уничтожаются полностью.
Очень чувствительна к УЗ нервная ткань и внутренние органы. При воздействии больших доз УЗ на сердце может возникнуть стенокардия, на кожу – физиологическое и функциональное её изменение.
УЗ оказывает воздействие на клеточные мембраны. Акустические потоки приводят к переносу вещества и перемешиванию жидкостей. Внутри клетки микропотоки могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму, изменять её вязкость. Они могут отрывать от мембраны биологические макромолекулы, изменять поверхностный заряд мембран и их проницаемость, оказывая влияние на жизнедеятельность клетки. Под действием УЗ мембраны могут разрушаться.