- •Оглавление
- •Часть I. Теоретические основы акустики 8
- •Глава 1. Немного истории 8
- •Глава 3. Ультразвук и его свойства 66
- •Часть II. Ультразвуковая аппаратура 115
- •Глава 1. Введение в ультразвуковую аппаратуру 115
- •Глава 2. Схемы и характеристики аппаратуры 136
- •Глава 3. Алгоритм обработки изображений при уз-диагностике 188
- •Часть III. Применение ультразвука 218
- •Глава 1. Применение ультразвука в промышленности 218
- •Глава 2. Применение ультразвука в медицине 246
- •Глава 3. Применение ультразвука в фармации 263
- •Вступление
- •Часть I. Теоретические основы акустики Глава 1. Немного истории
- •1.1. Открытия в области звуковых колебаний
- •1.2. Рождение ультразвука
- •Глава 2. Волны и колебания
- •2.1. Колебания
- •2.1.1. Периодическое движение
- •2.1.2. Свободные колебания
- •2.1.3. Маятник; кинематика его колебаний
- •2.1.4. Гармоническое колебание. Частота
- •2.1.5. Динамика гармонических колебаний
- •2.1.6. Период
- •2.1.7. Сдвиг фаз
- •2.1.8. Вынужденные колебания
- •2.1.9. Резонанс
- •2.2. Волны
- •2.2.1. Поперечные волны в шнуре
- •2.2.2. Продольные волны в столбе воздуха
- •2.2.3. Звуковые колебания
- •2.2.4. Музыкальный тон. Громкость и высота тона
- •2.2.5. Акустический резонанс
- •2.2.6. Шумы
- •2.2.7. Волны на поверхности жидкости
- •2.2.8. Скорость распространения волн
- •2.2.9. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия
- •2.2.10. Отражение волн
- •2.2.11. Отражение плоских волн
- •2.2.12. Перенос энергии волнами
- •2.3. Звук и его характеристики
- •2.3.1 Звуковые колебания
- •2.3.2. Высота звука
- •2.3.3. Громкость звука
- •2.3.4. Тембр звука
- •2.3.5. Восприятие созвучий
- •2.3.6. Устройство уха. Резонансная теория Гельмгольца
- •Глава 3. Ультразвук и его свойства
- •3.1. Что такое ультразвук
- •3.1.1 Характеристика ультразвука
- •3.1.2. Ультразвук как упругие волны
- •3.1.3. Специфические особенности ультразвука
- •3.2. Скорость звука
- •3.2.1. Измерение скорости звука
- •3.2.2. Дисперсия
- •3.2.3. Эффект Доплера в акустике
- •3.3. Ослабление звука с расстоянием
- •3.3.1. Ослабление звука для сферических волн
- •3.3.2. Поглощение звука
- •3.3.3. Коэффициент поглощения звука
- •3.3.4. Коэффициент поглощения ультразвука в воздухе.
- •3.3.5. Молекулярное поглощение и дисперсия ультразвука
- •3.3.6. Физический механизм молекулярного поглощения
- •3.4. Дифракция и интерференция
- •3.4.1. Понятие Дифракции
- •3.4.2. Интерференция звука
- •3.4.3. Акустооптическая дифракция
- •3.4.4. Дифракция света на ультразвуке в анизотропной среде
- •3.4.5. Применение на практике акустооптической дифракции
- •Часть II. Ультразвуковая аппаратура Глава 1. Введение в ультразвуковую аппаратуру
- •1.1. Обзор мировой ситуации
- •1.2. Действующие факторы и особенности ультразвукового воздействия
- •1.3. Общие требования к ультразвуковым аппаратам
- •Глава 2. Схемы и характеристики аппаратуры
- •2.1. Ультразвуковые колебательные системы
- •2.1.1. Общая характеристика
- •2.1.2. Ультразвуковые преобразователи
- •2.1.3. Согласование преобразователей со средой
- •2.1.4. Конструкция колебательной системы
- •2.1.5. Рабочие инструменты, соединения и опоры
- •2.2. Генераторы ультразвуковых колебаний
- •2.2.1. Общая характеристика
- •2.2.2. Ультразвуковые генераторы с независимым возбуждением
- •2.2.3. Генераторы с самовозбуждением
- •2.2.4. Генераторы с автоподстройкой частоты
- •2.3. Конструкции многофункциональных аппаратов
- •2.3.1. Многофункциональный аппарат для индивидульного потребителя
- •2.3.2. Многофункциональный аппарат мощностью 40 вт (миксер "алёна")
- •2.3.3. Многофункциональный ультразвуковой аппарат мощностью 160 вт. (электронный фитомиксер "алёна")
- •2.3.4. Многофункциональный аппарат мощностью 400 вт ("сонатор - 22/04 - 01")
- •Глава 3. Алгоритм обработки изображений при уз-диагностике
- •3.1. Общая характеристика
- •3.1.1. История
- •3.1.2. Биофизика ультразвука
- •3.1.3. Лучевая безопасность ультразвукового исследования
- •3.1.4. Общая схема ультразвукового аппарата.
- •3.2. Методы и алгоритмы обработки изображений
- •3.2.1. Принципы обработки
- •3.2.2. Линейное контрастирование
- •3.2.3. Пороговая обработка
- •3.2.4. Алгоритмы линейной фильтрации изображений
- •3.2.5. Медианный фильтр
- •3.2.6. Выделение контуров
- •3.2.7. Градиентный метод
- •3.2.8. Метод активных контуров
- •3.3. Пример ультразвуковой диагностики
- •3.3.1. Методика ультразвуковой ангиографии печени
- •3.3.2. Техника проведения ультразвуковой ангиографии печени
- •3.3.3. Ультразвуковая картина печени при гепатите
- •3.3.4. Ультразвуковая диагностика острого гепатита
- •3.3.5. Ультразвуковая диагностика хронического гепатита
- •1.1.2. Ультразвуковая обработка молока
- •1.1.3. Интенсификация процессов приготовления сыров
- •1.1.4. Применение ультразвука при приготовлении соков
- •1.1.5. Применение ультразвука в сельском хозяйстве
- •1.1.6. Ультразвуковое снятие заусенцев
- •1.1.7. Ультразвуковая дегазация жидкостей
- •1.1.8. Ультразвуковая мойка и очистка
- •1.2. Применение ультразвуковых многофункциональных аппаратов для обработки твердых тел
- •1.2.1. Общая характеристика
- •1.2.1. Ультразвуковая размерная обработка
- •1.2.2. Соединение порлимерных материалов под действием ультразвука
- •Глава 2. Применение ультразвука в медицине
- •2.1. Диагностика
- •2.1.1. Принципы уз-диагностики
- •2.1.3. Акушерство
- •2.1.4. Офтальмология
- •2.1.5. Исследование внутренних органов
- •2.1.6. Приповерхносные и наружные органы
- •2.1.7. Кардиология
- •2.1.8. Неврология
- •2.1.9. Использование эффекта Доплера в диагностике
- •2.2. Применение ультразвука в терапии и хирургии
- •2.2.1. Принципы применения уз в терапии и хирургии
- •2.2.2. Нагрев
- •2.2.3. Увеличение растяжимости коллагенсодержащих тканей
- •2.2.4. Повышение подвижности суставов
- •2.2.5. Болеутоляющее действие
- •2.2.6. Изменения кровотока
- •2.2.7. Уменьшение мышечного спазма
- •2.2.8. Хирургия с помощью фокусированного ультразвука
- •2.2.9. Ускорение регенерации тканей
- •2.2.10. Лечение трофических язв
- •2.2.11. Ускорение рассасывания отеков
- •2.2.12. Заживление переломов
- •2.2.13. Ультразвук и косметика
- •2.3. Ультразвук в стоматологии
- •2.3.1. История
- •2.3.2. Пародонтология
- •2.3.3. Эндодонтия
- •2.3.4. Хирургия
- •2.3.5. Ультазвуковая терапия
- •2.3.6. Профилактика и гигиена
- •2.3.7. Дезинфекция и очистка
- •Глава 3. Применение ультразвука в фармации
- •3.1. Обработка растворов
- •3.1.1. Ускорение процессов растворения
- •3.1.2. Приготовление эмульсий
- •3.1.3. Ультразвуковая стерилизация жидких сред
- •3.2. Обработка природного сырья
- •3.2.1. Ускорение процессов экстрагирования лекарственного сырья
- •3.2.2. Ультразвуковое диспергирование и приготовление суспензий
- •Заключение
- •Список использованной литературы
3.2. Обработка природного сырья
3.2.1. Ускорение процессов экстрагирования лекарственного сырья
Несмотря на бурное развитие производства синтетических лекарственных препаратов, большинство биологически активных веществ получают из природного сырья растительного или животного происхождения. Так по данным работы, на долю препаратов растительного происхождения приходится до 77% сердечных, 72-75% отхаркивающих и желудочных средств.
Выделение биологически активных веществ - экстрагирование, является в настоящее время наиболее сложной и трудоемкой задачей, решаемой в условиях крупных производств с помощью специализированного оборудования, и практически неразрешимой в домашних условиях.
Как показывают многочисленные исследования, из природного сырья растительного и животного происхождения можно извлекать практически все известные соединения, производимые растениями.
При использовании электронного фитомиксера "АЛЁНА" с сокращением длительности процесса в 10...100 раз извлекаются флавоноиды, дубильные вещества, фенолгликозиды, связанные кумарины, фенолкарбоновые кислоты и др. Кинетика ультразвуковой экстракции биологически активных веществ зависит от их принадлежности к определенной химической группе, а степень извлечения растет в ряду: масла, алкалоиды, фуранохромоны, сееквитерпены, фловоноиды, сапонины, таниды, гликозиды, ириноиды.
При этом наблюдается не только ускорение процессов во времени, но и увеличение, по сравнению с другими способами экстрагирования, выхода биологически активного вещества, в том числе розового и облепихового масел на 10...15%, саланидина из ростков картофеля на 30%, атропина на 18...25%, валериановой кислоты на 20%, платифиллина на 15%, фуранахромонов на 30%, кверцетина на 47%, эргостеина на 45...60%, урсоловой кислоты на 10%, тартроновой кислоты из мезги сырой капусты на 35%.
Ультразвуковой способ извлечения биологически активных веществ экономически выгоден в промышленном производстве, не имеет альтернативы в домашнем производстве, а получаемые препараты отвечают всем требованиям Государственной фармакопеи. Практическое применение фитомиксера "АЛЁНА" для экстрагирования различных активных веществ требует разработки конкретных регламентов для серийного производства. В домашних условиях, для производства настоев и экстрактов, необходимо учитывать общие требования, излагаемые далее.
1. При экстрагировании растительного сырья обычно приходится использовать высушенные материалы. Поэтому на первом этапе экстрагирования необходимо замочить растительное сырье. Обычно по регламенту на замачивание тратится до 5...10 часов.
Ультразвуковые колебания позволяют значительно сократить время замачивания. Так, если для измельченной травы горицвета, чабреца, пустырника время оптимального набухания в обычных условиях 2 часа, а для корневищ валерианы, синюхи, девясила, аира и других видов сырья оно равно 6...8 часов, то при использовании фитомиксера "АЛЕНА" достаточно 30 минут замачивания и всего лишь 10 минут ультразвукового воздействия. При этом сырье полностью набухает.
2. Прежде чем приступить к ультразвуковому экстрагированию необходимо обеспечить необходимую дисперсность исходного сырья. При использовании в качестве исходного сырья травы растений, имеющих тонкую рыхлую листовую пластинку с мягкими оболочками и большим количеством путепроводящих тканей, межклеточных пространств, размер частиц не играет существенной роли и может колебаться от 2 до 8 мм.
Типичными примерами такого растительного сырья являются трава ландыша, полынь горькая, листья мяты перечной, зверобоя, красавки, наперстянки, горицвета, цельнолистника, тысячалистника, цветы ромашки аптечной, ноготков и др. Такое сырье набухает под действием ультразвука в течении нескольких минут.
Для экстрагирования сырья с одеревеневшими клетками плотной структуры размер частиц должен быть гораздо меньше. Оптимальный выход биологически активных веществ при использовании ультразвука для экстрагирования корней или корневищ чемерицы, женьшеня, стальника, радиолы, заманихи, шароплодки, красавки, кермека, валерианы, лопуха, крестовника и др., наблюдается при размере частиц 0,25 - 1,0 мм.
Оптимальный размер частиц для экстрагирования коры обвойника, дуба, крушины, плодов соборы, боярышника, кожуры граната составляет 0,5 - 1,5 мм.
3. После выбора сырья и его измельчения необходимо выбрать жидкость, в которой будет осуществляться экстрагирование. В данном случае особых ограничений на использование различных растворителей не существует. Если экстрагент не взрывоопасен, не разлагается - то такой экстрагент можно использовать. Наилучшие результаты по экстрагированию получены при использовании спиртово-водных смесей. Для выявления различий в эффективности ультразвукового экстрагирования в воде и спиртово-водной (70%) смеси рассмотрим результаты выделения сердечных гликозидов из травы наперстянки, приведенные в таблице.
Таблица.
Результаты выделения полезного продукта при различных экстрагентах
-
Время обработки, мин
Содержание сердечных гликозидов, мг/100мл
вода
спиртово-водная смесь
5
14,3
14,3
10
13,5
18,0
20
13,1
18,3
30
12,9
18,7
4. Для повышения эффективности экстрагирования используются различные добавки к экстрагенту.
Рекомендуется добавлять к экстрагенту глицерин, поверхностно активные вещества, которые задерживают образование кавитации, т.е. исключают возможные деструктивные изменения.
В отдельных случаях в качестве ингибиторов рекомендуется использовать слабые органические кислоты: винную, лимонную, аскорбиновую, отдельные соединения, например алкалоиды.
Добавление к экстрагенту небольших количеств поверхностно-активных веществ (0,1...0,3%) обеспечивает увеличение выхода полезных веществ.
5. При проведении ультразвукового экстрагирования необходимо обеспечить доступ экстрагента к каждой частице и осуществлять ультразвуковое воздействие на каждую частицу. Это может быть достигнуто или интенсивным перемешиванием или уменьшением соотношения: сырьё - экстрагент.
Невозможно представить данные об оптимальных соотношениях сырья и экстрагента для всех возможных случаев. Поэтому для практического ориентирования далее приведены результаты выбора рациональной удельной нагрузки для нескольких различных материалов (в процентах):
Амми зубная 0,11
Семена укропа 0,07
Семена моркови 0,09
Корневища крестовника 0,1
Цветки софоры японской 0,25
Кожура лука 0,15
6. Когда осуществлены все перечисленные выше мероприятия начинается обработка измельченного и замоченного сырья в экстрагенте с помощью электронного фитомиксера "АЛЁНА". При этом возникает проблема оптимизации времени ультразвукового воздействия.
Очевидно, что с увеличением времени воздействия выход суммы биологически активных веществ пропорционально увеличивается. Но увеличение не может происходить до бесконечности, так как исходное сырье истощается. Полное истощение сырья при величине частиц 0,5 мм и воздействии ультразвука происходит в течении 15 минут. При величине частиц 1 мм полное истощение наступает через 60 мин обработки. 2 часа требуется для полного истощения сырья с размерами частиц 2 мм. При величине частиц 8...10 мм за два часа обработки выходит менее 55% биологически активных веществ. Таким образом, предварительное измельчение сырья до размера частиц менее 0,5 мм обеспечивает при оптимальных условиях полное истощение сырья за 10...15 минут ультразвуковой обработки.
С увеличением температуры экстрагента начинается интенсивное образование газовых пузырьков на границах раздела и интенсивность передачи ультразвуковой энергии падает. Поэтому, максимальный выход биологически активных веществ происходит при температуре 30...60 градусов.
При экстрагировании необходимо учитывать повышение температуры экстрагента за счет поглощения ультразвуковой энергии и следить за тем, что бы температура экстракта не превышала допустимых значений.
Сравнение различных методов экстракции подтверждает высокую эффективность ультразвукового экстрагирования природного сырья.
В заключении раздела об ультразвуковом экстрагировании следует отметить возможность экстракции сырья животного происхождения. Различными авторами отмечена возможность получения с помощью ультразвука: адреналина из мозгового вещества, инсулина из поджелудочной железы, лидазы из семенников крупного рогатого скота, пантокрина из рогов марала, пятнистого оленя, изюбра, пепсина из автолизатов свиных желудков, цитохрама С из сердечной мышцы убойного скота, ферментов, гормонов и витаминных препаратов.