37. Ультразвук,применение ультразвука в медицине.

Ультразвук - упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 18 000 герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. По скорости распространения звука в среде судят о ее физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Сначала прошлого столетия стало известно, что ультразвуковые колебания можно использовать для различных целей, ведь такие колебания можно сделать узконаправленными и сфокусировать в одной точке все зависит от частоты используемого ультразвука. Так ультразвук стало возможным использовать в медицине и других отраслях науки и техники.

О воздействии ультразвуковых волн на живые ткани стало известно еще в 1930 году, благодаря французскому физику Полю Ланжевену. По результатам его наблюдений стало понятно, что этот тип звуковых колебаний может проникать через мягкие ткани организма. К этому явлению начали проявлять большой интерес еще с тех времён, и многие учёные стали думать над проблемой использования ультразвука для терапии заболеваний. Особое распространение применение ультразвука стало в области физиотерапии. Но только лишь с недавнего времени стал использоваться научный подход к изучению явлений, которые возникают при взаимодействии излученного ультразвука и биологической средой.

Почему именно ультразвук стал применяться в медицине? Это связано с множеством разных аспектов, но все они включаютфизику явлений ультразвука. А именно: распространения ультразвуковых волн в биологической среде и взаимодействие этих волн с компонентами этой среды, измерение акустического излучения в среде как падающих на объект лучей, так и их отражения от компонентов среды.

Долгое время возникала проблема в интерпретации воздействия ультразвуковых волн на организм человека. Но так как человеческий организм состоит из воды легче представить человеческое тело в виде жидкости и смоделировать поведение акустических волн ультразвука с учётом распространения в жидкой среде. Такой вид интерпретации почти полностью подходит, если не брать во внимание костную ткань, которая твёрже мягких тканей и обладает куда большей плотностью. Всё это является важными факторами, которые представляют ценность в практическом применении медицинской ультразвуковой диагностики.

Помимо способов визуализации внутренних органов и инородных тел в организме, ультразвук применяется так же для лечения самих заболеваний. Лечение ультразвуком стало некоторой диковинкой в мире медицины. Таким образом, лечение ультразвуком может применяться при лечении камней почек и мочеточника. Строение показано на рисунке.

Так как ультразвуковые волны могут фокусироваться в одной точке они хорошо подходят для точной работы. Это даёт нам возможность использовать их максимально эффективно, фокусируя энергию колебаний на инородном теле вроде почечного камня. Такая процедура не представляет вред для организма, так как камень и мягкие ткани разной плотности. Это значит, что ультразвуковая волна проходит через кожу и внутрь почки, не затрагивая их и не причиняя им вред, а камень при таком воздействии рассыпается в порошок. Для лечения ультразвуком исключения не представляют и раковые опухали некоторых видов тканей, таких как молочная железа. Ведь если задуматься опухоль тоже по плотности превышает ткань, на которую будет проводиться воздействие, но это применимо не для всех тканей.

Такое применение ультразвука в медицине связано в первую очередь с поглощением ультразвуковых волн в неоднородных средах, где происходит неравномерное распространение. Распространение зависит от плотности среды распространения и от сопротивления к акустическим волнам. Ультразвук может оказывать разнообразное воздействие на организм, оно может иметь как деструктивный характер, так и биостимулирующий. Разница же зависит от параметров используемых токов в тех или иных аппаратах для генерации ультразвука. Эти параметры и определяют частоту ультразвука, который будет фокусироваться на область воздействия.

Таким образом, использование ультразвука в медицинепроявляется не только в эхо импульсных методах визуализации органов, но так же и в непосредственном воздействии волнами при лечении ультразвуком, будь то дробление камней в почках и мочеиспускательной системе или разрушении раковой опухоли.

ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГЦ. Верхний предел ультразвуковых частот условно считают равным 10⁹ 10¹⁰ Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна. Источником ультразвука могут быть как естественные явления, так и искусственные установки - генераторы ультразвука. Естественными источниками УЗ являются животные, издающие ультразвук (кузнечики, саранча, сверчки, летучие мыши, дельфины). Все эти животные воспроизводят УЗ и воспринимают его специальными рецепторными аппаратами. Например, летучие мыши издают УЗ с частотой 70-80кГц. Издаваемые ими колебания отражаются от окружающих предметов и воспринимаются специальными механорецепторами как своеобразные сигналы о лежащих на пути препятствиях. С помощью своего ультразвукового локатора летучие мыши очень точно ориентируются в полете. Ультразвук воспринимают не только летучие мыши и некоторые насекомые, но и дельфины, киты, кошки, собаки, грызуны, лягушки. Их слуховой аппарат настроен на более широкий диапазон звуковых колебаний. В приведенной ниже таблице даны верхние границы частот, воспринимаемых некоторыми животными и насекомыми.

Источником ультразвука может быть и неживая природа: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе ракетных двигателей, некоторых двигателей и станков.

В технике ультразвук получают с помощью устройств, называемые УЗ-излучателями (генераторы УЗ). Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлениях магнитострикционного эффекта и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Магнитострикционные излучатели применяются для генерирования низкочастотных ультразвуков (до 80 кГц). Явление магнитострикции заключается в механической деформации стержня или трубки из ферромагнитного материала, помещенного в переменное магнитное поле параллельно направлению силовых линий. Под воздействием переменного магнитного поля происходит растяжение и сжатие стержня, что приводит к образованию УЗ-волн низких частот. Если стержень первоначально не был намагничен, то он будет колебаться с удвоенной частотой. Если периоды собственных колебаний стержня и магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальна (явление резонанса), а так как колебания стержня продольные, то ультразвуковая волна будет исходить из концов стержня. Наиболее часто применяют стержни из никеля, дающие хороший магнитострикционный эффект. Основной частью та кого излучателя является стержень из ферромагнитного материала, помещенного в соленоид, который соединен с источником переменного тока.

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвуков с частотами до 50 МГц.

Явление обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в механической деформации некоторых материалов (кристаллы кварца и турмалина, сегнетова соль, фосфорнокислый аммоний, керамический материал на основе титаната бария) под действием переменного электрического поля. Если к определенным плоскостям кристалла подвести переменное электрическое поле, то кристалл сжимается или растягивается в зависимости от полярности электрического поля. Основной частью такого излучателя является пластинка или стержень из пьезоэлектрического материала. На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды. При действии переменного электрического поля пластина вибрирует, излучая механическую волну соответствующей частоты. Наибольшая интенсивность УЗ-волны наблюдается при выполнении условия резонанса.

Для регистрации и анализа ультразвуков применяются пьезоэлектрические и магнитострикционные датчики - приёмники ультразвука.

В пьезоэлектрическом датчике используется прямой пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект состоит в том, что при механической деформации указанных выше кристаллов в определенных направлениях на их границах появляются электрические заряды противоположных знаков, что приводит к генерации электрического поля. Это явление обусловлено деформацией элементарных кристаллических ячеек и сдвигом подрешеток относительно друг друга при механическим воздействии на кристалл. В пьезодатчиках под действием регистрируемых ультразвуковых волн в пластинке возникают вынужденные механические колебания (переменная деформация), которые и приводят к генерации переменного электрического поля, соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.

Магнитострикционные датчики основаны на явлении изменения индукции магнитного поля ферромагнитного стрежня при его механической деформации. Переменная деформация ферромагнитного стержня, на торец которого действует ультразвуковая волна, вызывает возникновение переменной электродвижущей силы электромагнитной индукции в обмотке катушки, надетой на сердечник.