Napriek tomu, že ultrazvukové štúdievlny začali pred viac ako sto rokmi, iba posledné polstoročie sa začali hojne používať v rôznych oblastiach ľudskej činnosti. Je to spôsobené aktívnym vývojom kvantovej aj nelineárnej oblasti akustiky a kvantovej elektroniky a fyziky pevných látok. Ultrazvuk dnes nie je len označením vysokofrekvenčnej oblasti akustických vĺn, ale celým vedeckým smerom v modernej fyzike a biológii, ktorý je spojený s priemyselnými, informačnými a meracími technológiami, ako aj diagnostickými, chirurgickými a terapeutickými metódami. moderná medicína.
Čo to je?
Všetky zvukové vlny je možné rozdeliť na zvukovéčlovek - sú to frekvencie od 16 do 18 tisíc Hz a tie, ktoré sú mimo rozsah ľudského vnímania - infra- a ultrazvuk. Infrazvuk sa chápe ako vlny podobné zvukovým vlnám, ale s frekvenciami nižšími, ako sú tie, ktoré vníma ľudské ucho. Horná hranica infrazvukovej oblasti sa považuje za 16 Hz a za dolnú - 0,001 Hz.
Ultrazvuk sú tiež zvukové vlny, ale ibaich frekvencia je vyššia, ako dokáže ľudský načúvací prístroj vnímať. Spravidla znamenajú frekvencie od 20 do 106 kHz. Ich horná hranica závisí od média, v ktorom sa tieto vlny šíria. Takže v plynnom prostredí je hranica 106 kHz a v pevných látkach a kvapalinách dosahuje 1010 kHz. Ultrazvukové komponenty zahŕňajú hluk dažďa, vetra alebo vodopádu, bleskové výboje a šušťanie okruhliakov valených morskou vlnou. Vďaka schopnosti vnímať a analyzovať ultrazvukové vlny sa veľryby a delfíny, netopiere a nočný hmyz orientujú v priestore.
Trochu histórie
Prvé štúdie ultrazvuku (USA) boliuskutočnil na začiatku 19. storočia francúzsky vedec F. Savart, ktorý sa snažil zistiť hornú hranicu frekvencie sluchu ľudského načúvacieho prístroja. V budúcnosti sa štúdiu ultrazvukových vĺn venovali takí slávni vedci ako Nemec V. Vin, Angličan F. Galton, Rus P. Lebedev so skupinou študentov.
V roku 1916 fyzik z Francúzska P.Langevin v spolupráci s ruským vedcom o emigrácii Konstantinom Shilovským dokázal pomocou kremeňa prijímať a emitovať ultrazvuk na morské merania a detegovať objekty pod vodou, čo vedcom umožnilo vytvoriť prvý sonar, ktorý pozostával z emitoru a prijímača ultrazvuku.
V povojnových 50. - 60. rokoch vychádzal zteoretický vývoj tímu sovietskych vedcov na čele s L. D. Rosenbergom začína rozsiahle použitie ultrazvuku v rôznych priemyselných a technologických oblastiach. Súčasne sa vďaka práci britských a amerických vedcov, ako aj výskumu sovietskych vedcov, ako sú R.V. Khokhlov, V.A.Krasilnikov a mnohých ďalších, rýchlo rozvíjala taká vedná disciplína ako nelineárna akustika.
Približne v rovnakom čase sa uskutočnili prvé pokusy Američanov o použitie ultrazvuku v medicíne.
Sovietsky vedec Sokolov koncom štyridsiatych rokovrokoch minulého storočia vyvinul teoretický popis zariadenia určeného na vizualizáciu nepriehľadných objektov - „ultrazvukový“ mikroskop. Na základe týchto prác vytvorili v polovici 70. rokov špecialisti zo Stanfordskej univerzity prototyp skenovacieho akustického mikroskopu.
rysy
Majú spoločný charakter, vlny počuteľného rozsahu,rovnako ako ultrazvukové sa riadia fyzikálnymi zákonmi. Ultrazvuk má ale množstvo funkcií, ktoré umožňujú jeho široké použitie v rôznych oblastiach vedy, medicíny a techniky:
1. Malá vlnová dĺžka.Pre najnižší ultrazvukový rozsah nepresahuje niekoľko centimetrov, čo spôsobuje lúčový charakter šírenia signálu. V tomto prípade je vlna zameraná a šírená lineárnymi lúčmi.
2. Nezanedbateľné obdobie kmitov, kvôli ktorým môže byť emitovaný ultrazvuk v impulzoch.
3.V rôznych prostrediach majú ultrazvukové vibrácie s vlnovou dĺžkou nepresahujúcou 10 mm vlastnosti podobné svetelným lúčom, čo umožňuje sústrediť vibrácie, vytvárať smerové žiarenie, to znamená nielen vysielať energiu správnym smerom, ale aj ju koncentrovať v požadovaný objem.
štyri.S malou amplitúdou je možné získať vysoké hodnoty vibračnej energie, čo umožňuje vytvárať vysokoenergetické ultrazvukové polia a lúče bez použitia veľkých prístrojov.
- disperzia;
- kavitácia;
- odplynenie;
- lokálne kúrenie;
- dezinfekcia a mnoho ďalších. DR.
typy
Všetky ultrazvukové frekvencie sú rozdelené do troch typov:
- ULF - nízka, s rozsahom od 20 do 100 kHz;
- USCH - stredná frekvencia - od 0,1 do 10 MHz;
- UZVCH - vysokofrekvenčný - od 10 do 1 000 MHz.
Dnes je praktické použitie ultrazvukuJedná sa predovšetkým o použitie vĺn nízkej intenzity na meranie, kontrolu a výskum vnútornej štruktúry rôznych materiálov a výrobkov. Vysokofrekvenčné sa používajú na aktívne ovplyvňovanie rôznych látok, čo umožňuje meniť ich vlastnosti a štruktúru. Diagnostika a ultrazvuková liečba mnohých chorôb (s použitím rôznych frekvencií) je samostatná a aktívne sa rozvíjajúca oblasť modernej medicíny.
Kde sa uplatňuje?
V posledných desaťročiach záujem o ultrazvuknielen vedeckých teoretikov, ale aj odborníkov z praxe, ktorí ju čoraz aktívnejšie zavádzajú do rôznych druhov ľudskej činnosti. Dnes sa ultrazvukové prístroje používajú na:
Získavanie informácií o látkach a materiáloch | opatrenia | Frekvencia v kHz | ||
od | na | |||
Štúdium zloženia a vlastností látok | pevné látky | 10 | 106 | |
kvapaliny | 103 | 105 | ||
plyny | 10 | 103 | ||
Kontrola veľkostí a úrovní | 10 | 103 | ||
Sonar | 1 | 100 | ||
Detekcia kazov | 100 | 105 | ||
Lekárska diagnostika | 103 | 105 | ||
Dopad pre látky | Spájkovanie a pokovovanie | 10 | 100 | |
zváranie | 10 | 100 | ||
Plastická deformácia | 10 | 100 | ||
Mechanická obnova | 10 | 100 | ||
Emulgácia | 10 | 104 | ||
Kryštalizácia | 10 | 100 | ||
Postrek | 10-100 | 103-104 | ||
Aerosólová koagulácia | 1 | 100 | ||
Rozptyl | 10 | 100 | ||
čistenie | 10 | 100 | ||
Chemické procesy | 10 | 100 | ||
Účinky na spaľovanie | 1 | 100 | ||
chirurgia | 10 až 100 | 103 do 104 | ||
terapia | 103 | 104 | ||
Spracovanie a kontrola signálu | Akustoelektronické snímače | 103 | 107 | |
filtre | 10 | 105 | ||
Oneskorené čiary | 103 | 107 | ||
Akustooptické zariadenia | 100 | 105 | ||
V modernom svete je ultrazvuk dôležitým technologickým nástrojom v takých priemyselných odvetviach, ako sú:
- metalurgický;
- chemická;
- poľnohospodársky;
- textil;
- jedlo;
- farmakologické;
- výroba strojov a prístrojov;
- petrochemický, rafinérsky a iné.
Okrem toho sa ultrazvuk čoraz viac využíva v medicíne. O tom si povieme v nasledujúcej časti.
Lekárske použitie
V modernej praktickej medicíne existujú tri hlavné smery použitia ultrazvuku rôznych frekvencií:
1. Diagnostické.
2. Terapeutické.
3. Chirurgické.
Pozrime sa podrobnejšie na každú z týchto troch oblastí.
diagnostika
Jeden z najmodernejších a najinformatívnejšíchmetód lekárskej diagnostiky je ultrazvuk. Jeho nepochybnými výhodami sú: minimálny vplyv na ľudské tkanivá a vysoký obsah informácií.
Ako už bolo spomenuté, ultrazvuk je zvukovývlny šíriace sa v homogénnom prostredí po priamke a konštantnou rýchlosťou. Ak sú na ich ceste oblasti s rôznou akustickou hustotou, časť vibrácií sa odráža a druhá časť sa láme, zatiaľ čo pokračuje v priamom pohybe. Čím väčší je rozdiel v hustote medzného média, tým viac sa odrážajú ultrazvukové vibrácie. Moderné metódy ultrazvukového vyšetrenia môžeme rozdeliť na lokalizačné a priesvitné.
Ultrazvukové umiestnenie
V procese takéhoto výskumuimpulzy odrážajúce sa od hraníc médií s rôznymi akustickými hustotami. Pomocou pohyblivého senzora môžete nastaviť veľkosť, umiestnenie a tvar študovaného objektu.
Presvetlenie
Táto metóda je založená na skutočnosti, že rôzne tkaninyľudské telo absorbuje ultrazvuk rôznymi spôsobmi. Počas štúdia ktoréhokoľvek vnútorného orgánu je do neho nasmerovaná vlna s určitou intenzitou, po ktorej je prenášaný signál z opačnej strany zaznamenaný špeciálnym snímačom. Obraz skenovaného objektu sa reprodukuje na základe zmeny intenzity signálu na „vstupe“ a „výstupe“. Prijaté informácie spracúva a prevádza počítač vo forme echogramu (krivky) alebo sonogramu - dvojrozmerného obrazu.
Dopplerova metóda
Toto je najaktívnejšie sa rozvíjajúca metóda.diagnostika, ktorá využíva pulzný aj kontinuálny ultrazvuk. Dopplerovská ultrasonografia je široko používaná v pôrodníctve, kardiológii a onkológii, pretože umožňuje sledovať aj tie najmenšie zmeny v kapilárach a malých cievach.
Diagnostické aplikácie
Dnes sa ultrazvukové zobrazovacie a meracie techniky najbežnejšie používajú v lekárskych odboroch, ako sú:
- pôrodníctvo;
- oftalmológia;
- kardiológia;
- neurológia novorodencov a kojencov;
- vyšetrenie vnútorných orgánov:
- ultrazvuk obličiek;
- pečeň;
- žlčník a kanály;
- ženský reprodukčný systém;
- diagnostika vonkajších a povrchových orgánov (štítna žľaza a mliečne žľazy).
Použitie pri liečbe
Hlavný terapeutický účinok ultrazvukuvďaka svojej schopnosti preniknúť do ľudských tkanív, zohriať ich a zohriať, vykonávať mikromasáže jednotlivých oblastí. Ultrazvuk je možné použiť na priame aj nepriame účinky na zameranie bolesti. Okrem toho majú tieto vlny za určitých podmienok baktericídny, protizápalový, analgetický a spazmolytický účinok. Ultrazvuk, ktorý sa používa na terapeutické účely, sa obvykle delí na vibrácie s vysokou a nízkou intenzitou.
- artróza;
- artritída;
- bolesť svalov;
- spondylitída;
- neuralgia;
- kŕčové a trofické vredy;
- ankylozujúca spondylitída;
- vyhladzujúca endarteritída.
Vykonávajú sa štúdie, počas ktorých sa ultrazvuk používa na liečbu Meniérovej choroby, pľúcneho emfyzému, dvanástnikových a žalúdočných vredov, bronchiálnej astmy, otosklerózy.
Ultrazvuková chirurgia
Moderná chirurgia používajúca ultrazvukové vlny je rozdelená do dvoch oblastí:
- selektívne ničenie tkanivových oblastí pomocou špeciálne kontrolovaných vysokointenzívnych ultrazvukových vĺn s frekvenciami od 106 do 107 Hz;
- pomocou chirurgického nástroja so superpozíciou ultrazvukových vibrácií od 20 do 75 kHz.
Príkladom selektívnej ultrazvukovej operácie môže byťslúžia ako drvenie kameňov ultrazvukom v obličkách. V priebehu takejto neinvazívnej operácie pôsobí na kameň ultrazvuková vlna cez pokožku, to znamená mimo ľudského tela.
- tehotné ženy kedykoľvek;
- ak je priemer kameňov viac ako dva centimetre;
- na akékoľvek infekčné choroby;
- v prípade chorôb, ktoré narúšajú normálnu zrážanlivosť krvi;
- v prípade vážneho poškodenia kostného tkaniva.
Napriek skutočnosti, že odstránenie obličkových kameňov pomocou ultrazvuku sa vykonáva bez chirurgických rezov, je to dosť bolestivé a vykonáva sa v celkovej alebo lokálnej anestézii.
Chirurgické ultrazvukové nástroje sa používajú nielen na menej bolestivú disekciu kostí a mäkkých tkanív, ale aj na zníženie straty krvi.
