Kljub dejstvu, da se je preučevanje ultrazvočnih valov začelo pred več kot sto leti, so se šele zadnje pol stoletja široko uporabljali na različnih področjih človeške dejavnosti. To je posledica aktivnega razvoja kvantnega in nelinearnega dela akustike ter kvantne elektronike in fizike trdnega stanja. Danes ultrazvok ni le oznaka visokofrekvenčnega območja akustičnih valov, temveč celotna znanstvena smer v sodobni fiziki in biologiji, ki je povezana z industrijsko, informacijsko in merilno tehnologijo, pa tudi z diagnostičnimi, kirurškimi in terapevtskimi metodami. sodobna medicina.
Kaj je to?
Vse zvočne valove lahko razdelimo na tiste, ki so slišni človeku - to so frekvence od 16 do 18 tisoč Hz, in tiste, ki so izven območja človeške zaznave - infrardeče in ultrazvočne. Infrazvok se razume kot valovanje, podobno zvoku, vendar s frekvencami, nižjimi od tistih, ki jih zaznava človeško uho. Zgornja meja infrazvočnega območja je 16 Hz, spodnja meja pa 0,001 Hz.
Ultrazvok- tudi to so zvočni valovi, vendar je le njihova frekvenca višja, kot jo lahko zazna človeški slušni aparat. Praviloma pomenijo frekvence od 20 do 106 kHz. Njihova zgornja meja je odvisna od medija, v katerem se ti valovi širijo. Torej, v plinastem mediju je meja 106 kHz, v trdnih snoveh in tekočinah pa doseže 1010 kHz. Ultrazvočne komponente so v hrupu dežja, vetra ali slapov, razelektritev strele in šelestenja kamenčkov, ki jih vali morski val. Zahvaljujoč sposobnosti zaznavanja in analize ultrazvočnih valov se kiti in delfini, netopirji in nočne žuželke orientirajo v vesolju.
Malo zgodovine
Prve študije ultrazvoka (ZDA) je v začetku 19. stoletja izvedel francoski znanstvenik F. Savart, ki je želel ugotoviti zgornjo frekvenčno mejo slišnosti človeškega slušnega aparata. V prihodnosti so se s preučevanjem ultrazvočnih valov ukvarjali tako znani znanstveniki, kot so Nemec V. Vin, Anglež F. G alton, Rus P. Lebedev in skupina študentov.
Leta 1916 je francoski fizik P. Langevin v sodelovanju z ruskim emigrantskim znanstvenikom Konstantinom Šilovskim lahko uporabil kvarc za sprejemanje in oddajanje ultrazvoka za morske meritve in odkrivanje podvodnih predmetov, kar je raziskovalcem omogočilo ustvarjanje prvega sonar, sestavljen iz oddajnika in sprejemnika ultrazvoka.
Leta 1925 je Američan W. Pierce ustvaril napravo, danes imenovano Pierceov interferometer, ki meri hitrosti in absorpcijo z veliko natančnostjoultrazvok v tekočih in plinastih medijih. Leta 1928 je sovjetski znanstvenik S. Sokolov prvi uporabil ultrazvočne valove za odkrivanje različnih napak v trdnih snoveh, vključno s kovinskimi.
V povojnih 50-60-ih letih se je na podlagi teoretičnega razvoja skupine sovjetskih znanstvenikov pod vodstvom L. D. Rozenberga ultrazvok začel široko uporabljati na različnih industrijskih in tehnoloških področjih. Hkrati se po zaslugi dela britanskih in ameriških znanstvenikov ter raziskav sovjetskih raziskovalcev, kot so R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov in mnogi drugi, hitro razvija taka znanstvena disciplina, kot je nelinearna akustika.
Približno v istem času so bili izvedeni prvi ameriški poskusi uporabe ultrazvoka v medicini.
Sovjetski znanstvenik Sokolov je konec štiridesetih let prejšnjega stoletja razvil teoretični opis instrumenta, namenjenega vizualizaciji neprozornih predmetov - "ultrazvočnega" mikroskopa. Na podlagi teh del so sredi 70. let prejšnjega stoletja strokovnjaki z univerze Stanford ustvarili prototip skenirajočega akustičnega mikroskopa.
Funkcije
Imajo skupno naravo, valovi slišnega obsega, pa tudi ultrazvočni valovi, izpolnjujejo fizikalne zakone. Toda ultrazvok ima številne lastnosti, ki mu omogočajo široko uporabo na različnih področjih znanosti, medicine in tehnologije:
1. Majhna valovna dolžina. Za najnižje ultrazvočno območje ne presega nekaj centimetrov, kar povzroča žarkovno naravo širjenja signala. Hkrati pa valosredotočeno in razširjeno z linearnimi žarki.
2. Nepomembno obdobje nihanja, zaradi katerega se ultrazvok lahko oddaja v impulzih.
3. V različnih okoljih imajo ultrazvočne vibracije z valovno dolžino, ki ne presega 10 mm, lastnosti, podobne svetlobnim žarkom, kar omogoča fokusiranje vibracij, tvorjenje usmerjenega sevanja, torej ne samo pošiljanje energije v pravo smer, ampak jo tudi koncentrira v zahtevana glasnost.
4. Z majhno amplitudo je mogoče pridobiti visoke vrednosti energije vibracij, kar omogoča ustvarjanje visokoenergetskih ultrazvočnih polj in žarkov brez uporabe velike opreme.
5. Pod vplivom ultrazvoka na okolje se pojavljajo številni specifični fizikalni, biološki, kemični in medicinski učinki, kot so:
- razpršitev;
- kavitacija;
- razplinjevanje;
- lokalno ogrevanje;
- dezinfekcija in še več. drugi
Ogledi
Vse ultrazvočne frekvence so razdeljene na tri vrste:
- ULF - nizek, z razponom od 20 do 100 kHz;
- MF - srednji obseg - od 0,1 do 10 MHz;
- UZVCh - visokofrekvenčni - od 10 do 1000 MHz.
Danes je praktična uporaba ultrazvoka predvsem uporaba nizkointenzivnih valov za merjenje, nadzor in preučevanje notranje strukture različnih materialov in izdelkov. Visokofrekvenčni se uporabljajo za aktivno vplivanje na različne snovi, kar vam omogoča spreminjanje njihovih lastnostiin strukturo. Diagnoza in zdravljenje številnih bolezni z ultrazvokom (z uporabo različnih frekvenc) je ločeno in aktivno razvijajoče se področje sodobne medicine.
Kje velja?
Za ultrazvok se v zadnjih desetletjih ne zanimajo le znanstveni teoretiki, ampak tudi praktiki, ki ga vse pogosteje uvajajo v različne vrste človekove dejavnosti. Danes se ultrazvočne enote uporabljajo za:
| Pridobivanje informacij o snoveh in materialih | Dogodki | Frekvenca v kHz | ||
| od | do | |||
| Raziskave o sestavi in lastnostih snovi | trdna telesa | 10 | 106 | |
| tekočine | 103 | 105 | ||
| plini | 10 | 103 | ||
| Nadzorne velikosti in ravni | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| defektoskopija | 100 | 105 | ||
| Medicinska diagnostika | 103 | 105 | ||
|
Učinki o snoveh |
Spajkanje in prevleka | 10 | 100 | |
| Varjenje | 10 | 100 | ||
| Plastična deformacija | 10 | 100 | ||
| obdelava | 10 | 100 | ||
| Emulgiranje | 10 | 104 | ||
| kristalizacija | 10 | 100 | ||
| Spray | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosolna koagulacija | 1 | 100 | ||
| Disperzija | 10 | 100 | ||
| Čiščenje | 10 | 100 | ||
| Kemični procesi | 10 | 100 | ||
| Vpliv na zgorevanje | 1 | 100 | ||
| kirurgija | 10 do 100 | 103 do 104 | ||
| terapija | 103 | 104 | ||
| Obdelava in upravljanje signalov | Akustoelektronski pretvorniki | 103 | 107 | |
| Filtri | 10 | 105 | ||
| Črnice z zamudo | 103 | 107 | ||
| Akustično-optične naprave | 100 | 105 | ||
V današnjem svetu je ultrazvok pomembno tehnološko orodje v panogah, kot so:
- metalurški;
- kemična;
- kmetijsko;
- tekstil;
- hrana;
- farmakološko;
- izdelovanje strojev in instrumentov;
- petrokemična, rafinerija in drugo.
Poleg tega se ultrazvok vse bolj uporablja v medicini. O tem bomo govorili v naslednjem razdelku.
Medicinska uporaba
V sodobni praktični medicini obstajajo tri glavna področja uporabe ultrazvoka različnih frekvenc:
1. Diagnostika.
2. Terapevtski.
3. Kirurško.
Pobližje si oglejmo vsako od teh treh področij.
Diagnoza
Ena najsodobnejših in informativnih metod medicinske diagnostike je ultrazvok. Njegove nedvomne prednosti so: minimalen vpliv na človeška tkiva in visoka vsebnost informacij.
Kot že omenjeno, je ultrazvok zvočni valovi,ki se širijo v homogenem mediju v ravni črti in s konstantno hitrostjo. Če so na poti območja z različno gostoto zvoka, se del nihanj odbije, drugi del pa se lomi, medtem ko se nadaljuje svoje pravolinijsko gibanje. Tako večja kot je razlika v gostoti mejnega medija, več ultrazvočnih vibracij se odraža. Sodobne metode ultrazvočnega pregleda lahko razdelimo na lokacijske in prosojne.
Ultrazvočna lokacija
V procesu takšne študije se beležijo impulzi, ki se odbijajo od meja medijev z različno akustično gostoto. S pomočjo premičnega senzorja lahko nastavite velikost, lokacijo in obliko preučevanega predmeta.
prozorno
Ta metoda temelji na dejstvu, da različna tkiva človeškega telesa različno absorbirajo ultrazvok. Med preučevanjem katerega koli notranjega organa se vanj usmeri val z določeno intenzivnostjo, po katerem se preneseni signal posname s hrbtne strani s posebnim senzorjem. Slika skeniranega predmeta se reproducira na podlagi spremembe jakosti signala na "vhodu" in "izhodu". Prejete informacije računalniško obdela in pretvori v obliki ehograma (krivulje) ali sonograma - dvodimenzionalne slike.
Dopplerjeva metoda
To je najbolj aktivno razvijajoča se diagnostična metoda, ki uporablja tako impulzni kot kontinuiran ultrazvok. Dopplerografija se pogosto uporablja v porodništvu, kardiologiji in onkologiji, saj omogočaspremljajte tudi najmanjše spremembe v kapilarah in majhnih krvnih žilah.
Področja uporabe diagnostike
Danes se ultrazvočno slikanje in metode merjenja najbolj uporabljajo na medicinskih področjih, kot so:
- porodništvo;
- oftalmologija;
- kardiologija;
- nevrologija novorojenčkov in dojenčkov;
- pregled notranjih organov:
- ultrazvok ledvic;
- jetra;
- žolčnik in kanali;
- ženski reproduktivni sistem;
diagnoza zunanjih in površinskih organov (ščitnice in mlečnih žlez)
Uporaba v terapiji
Glavni terapevtski učinek ultrazvoka je posledica njegove sposobnosti, da prodira v človeška tkiva, jih ogreje in ogreje ter izvaja mikromasažo posameznih predelov. Ultrazvok se lahko uporablja za neposredne in posredne učinke na žarišče bolečine. Poleg tega imajo ti valovi pod določenimi pogoji baktericidni, protivnetni, analgetični in antispazmodični učinek. Ultrazvok, ki se uporablja v terapevtske namene, je pogojno razdeljen na vibracije visoke in nizke intenzivnosti.
Za spodbujanje fizioloških odzivov ali rahlega, neškodljivega segrevanja se najpogosteje uporabljajo valovi nizke intenzivnosti. Ultrazvočno zdravljenje je pokazalo pozitivne rezultate pri boleznih, kot so:
- artritis;
- artritis;
- mialgija;
- spondilitis;
- nevralgija;
- krčne in trofične razjede;
- Ankilozirajoči spondilitis;
- obliteracijski endarteritis.
Potekajo študije, ki uporabljajo ultrazvok za zdravljenje Menierove bolezni, emfizema, razjed dvanajstnika in želodca, astme, otoskleroze.
ultrazvočna kirurgija
Sodobna kirurgija z ultrazvočnimi valovi je razdeljena na dve področji:
- selektivno uničuje tkiva s posebnimi nadzorovanimi ultrazvočnimi valovi visoke intenzivnosti s frekvencami od 106 do 107 Hz;
- z uporabo kirurškega instrumenta z naloženimi ultrazvočnimi vibracijami od 20 do 75 kHz.
Primer selektivne ultrazvočne kirurgije je drobljenje kamnov z ultrazvokom v ledvicah. V procesu takšne neinvazivne operacije ultrazvočni val deluje na kamen skozi kožo, torej izven človeškega telesa.
Žal ima ta kirurška metoda številne omejitve. Ne uporabljajte ultrazvočnega drobljenja v naslednjih primerih:
- nosečnice kadarkoli;
- če je premer kamnov več kot dva centimetra;
- za vse nalezljive bolezni;
- v prisotnosti bolezni, ki motijo normalno strjevanje krvi;
- v primeru hudih poškodb kosti.
Kljub temu, da se odstranjevanje ledvičnih kamnov z ultrazvokom izvaja brez operacijerezov, je precej boleča in se izvaja v splošni ali lokalni anesteziji.
Kirurški ultrazvočni instrumenti se ne uporabljajo samo za manj boleče seciranje kosti in mehkih tkiv, ampak tudi za zmanjšanje izgube krvi.
Obrnimo pozornost na zobozdravstvo. Ultrazvok manj boleče odstranjuje zobne kamne, vse druge manipulacije zdravnika pa so veliko lažje prenašane. Poleg tega se v travmatološki in ortopedski praksi ultrazvok uporablja za obnovitev celovitosti zlomljenih kosti. Med takšnimi operacijami se prostor med kostnimi fragmenti napolni s posebno spojino, ki jo sestavljajo kostni odrezki in posebna tekoča plastika, nato pa je izpostavljen ultrazvoku, zaradi katerega so vse komponente trdno povezane. Tisti, ki so bili podvrženi kirurškim posegom, med katerimi je bil uporabljen ultrazvok, puščajo različne ocene - pozitivne in negativne. Vendar je treba opozoriti, da je zadovoljnih pacientov še več!
