12

Методическая разработка

для студентов лечебного и педиатрического факультетов

к лабораторной работе

«Физические основы ультразвуковых исследований»

1. Научно-методическое обоснование темы:

Медико-биологические приложения ультразвука делятся на два направления: методы диагностики и исследования; методы воздействия.

К первому направлению относятся эхоэнцефалография, ультразвуковая локация, ультразвуковая кардиография, измерение размеров сердца в динамике. С помощью ультразвукового эффекта Доплера изучают скорость кровотока, характер движения сердечных клапанов.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты: микровибрацию на клеточном уровне; разрушение биомакромолекул; перестройку и повреждение биологических мембран, изменение их проницаемости; тепловое действие; разрушение клеток и микроорганизмов.

2. Краткая теория:

1. Источники и приемники ультразвука

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 16-20 кГц.

Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, поскольку верхняя граница слухового восприятия человека имеет значительный разброс для различных индивидуумов. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах граничная частота ~10⁹ Гц, в жидкостях и твердых телах ~ 10¹²-10¹³ Гц.

Хотя физическая природа ультразвука такая же, что для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, которые определяют его большое значение в науке и технике. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами и соответственно малостью длин волн.

Малость длины волны обусловливает лучевой характер распространения ультразвуковых волн. Вблизи излучателя ультразвуковые волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия или неоднородности в среде, такой ультразвуковой луч испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия или дефекты возникает рассеянная волна. Это позволяет обнаруживать в среде весьма малые неоднородности, порядка десятых и сотых долей мм.

В природе ультразвук встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов, так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий (летучие мыши, дельфины, некоторые виды птиц, обитающие в темных пещерах). Способностью к испусканию и восприятию ультразвуковых волн обладают некоторые насекомые (сверчки, цикады, отдельные виды бабочек). Как правило, животные пользуются для локации частотами от десятков до сотен кГц. Некоторые млекопитающие, например собаки, кошки, также обладают способностью восприятия ультразвука с частотой до сотен кГц.

Искусственные излучатели ультразвука основаны на явлении магнитострикции (при более низких частотах) и обратного пьезоэлектрического эффекта (при более высоких). Магнитострикция заключается в незаметных для глаза колебаниях (удлинении и укорочении) длины ферромагнитного сердечника под действием переменного магнитного поля в соответствии с частотой изменения знака поля.

Из искусственных излучателей ультразвука наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьзоэлектрического эффекта, который заключается в механической деформации тел под действием электрического поля. Основной частью такого излучателя (рис.1, а) является пластина 1 из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, титанат бария и т.д.). На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды 2. Если к электродам приложить переменное электрическое напряжение от генератора 3, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствующей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса.

а) б)

Рис.1

Приемник УЗ можно создать на основе пьезоэлектрического эффекта (прямого пьезоэффекта). В этом случае под действием УЗ-волны возникает деформация кристалла (рис.1, б), которая приводит при пьезоэффекте к генерации переменного электрического поля; соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.