Ультразвук в медицине

• Сравнение результатов расчетов показывает, что при интенсивностях ультразвука, используемых в физиотерапии, лишь смещения и сдвиговые усилия, возникающие в градиенте скорости, могут оказывать непосредственное влияние на клетку. Однако в некоторых условиях даже слабые радиационные (постоянно действующие) силы способны обусловить определенные биологические эффекты, например образование сгустков крови в сосудах лягушки и куриного эмбриона.

Интервал интенсивностей ультразвука, применяемого в ветеринарной и биомедицинской практике:

- от 10^-3Вт/см² в поле излучателей диагностических аппаратов,

- до 10⁴Вт/см² в фокальной области фокусирующих излучателей, используемых для разрушения глубинных структур без повреждения окружающих тканей.

• Общепринятый интервал интенсивностей ультразвука, используемый в физиотерапии: 0,05-1 Вт/см², реже до 2-3 Вт/см².

Подразделяется на три области: малая - (0,05 -1,5) Вт/см², средняя - (1,5 -3), большая - (3 -10) Вт/см².

• В исключительных случаях, например при лечении болезни Миньера или обеспложивания животных, интенсивности повышают до 10 Вт/см², При интенсивностях ниже 0,05 Вт/см² ультразвук практически неэффективен для лечения, а при интенсивностях, превышающих 1 Вт/см², может вызвать нежелательные эффекты, такие, как подавление физиологических функций организма, перегрев тканей, деструкцию клеток и клеточных органелл.

• В диагностических целях используют как непрерывный ультразвук низкой интенсивности, так и импульсный ультразвук довольно большой интенсивности, но с короткими импульсами и невысокой частотой их следования.

В зависимости от условий задачи и режима воздействия ультразвук характеризуют либо максимальной в облучаемом объеме (SpacePeak-SP), либо усредненной по пространству (SpaceAverage-SA) интенсивностью.

Аналогично ультразвук характеризуют максимальной при воздействии (TimePeak-TP) или усредненной по времени (TimeAverage-ТА) интенсивностью, а также интенсивностью, усредненной по пространству и времени (SATA), максимальной во времени и пространстве (SPTP), максимальной во времени, усредненной по пространству (SATP) или максимальной по пространству, усредненной по времени (SPTA).

Интенсивностью, усредненной по пространству (ISA), называют величину, измеряемую отношением всей энергии переносимой за единицу времени через площадку, перпендикулярную распространению волны, ко всей поверхности этой площадки.

Очевидно, что на разных участках площадки интенсивность ультразвука может быть неодинаковой.

Поглощение и распространение уз-волн

• Поглощение и распространение УЗ-волн зависит как от свойств среды (плотности, вязкости, температуры), так и от интенсивности и частоты ультразвука.

• В среде интенсивность ультразвука убывает по экспоненциальному закону:

I=I_oe^-kh

I - интенсивность УЗ-волны на глубине проникновения h,

I₀ - интенсивность УЗ-волны у поверхности вещества,

k - коэффициент поглощения, который зависит от плотности и вязкости среды, а также от частоты УЗ-волны.

При уменьшении интенсивности проходящей ультразвуковой волны в "е" раз (2,7) показатель степени kh=1, следовательно K=1/h [k]=м-1. Коэффициент поглощения обратно пропорционален глубине проникновения ультразвуковой волны, на которой ее интенсивность убывает в "е" раз.

• Известно, что чем больше частота волны, тем меньше глубина её проникновения (зависимость между глубиной и частотой обратно пропорциональная).

• Так ультразвук от 1600 до 2600 кГц проникает на глубину 1 сантиметр, а от 800 -900 кГц проникает на глубину 4-5 сантиметров.

В медицинских исследованиях для определения интенсивности ультразвуковой волны в веществе на заданной глубине чаще используется формула:

I=I_o2^-kh

вместо коэффициента поглощения вводится физическая величина - глубина полупоглощения H.

Глубина полупоглощения - это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.

Из представленных экспериментальных данных видно, что глубина проникновения зависит от частоты УЗ-волны и вида ткани. Чем больше частота УЗ-волны, тем меньше глубина проникновения и больше коэффициент поглощения. Поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более костной ткани.

• Коэффициент поглощения в жидких средах пропорционален их вязкости и квадрату частоты колебаний, быстро увеличивается с возрастанием частоты и зависит от свойств вещества, температуры, давления и других условий.

k=2𝜂𝑓²/3𝜌𝑐³

• Величина 1/𝑘 определяет расстояние, на котором амплитуда колебаний частиц уменьшается в «е» раз.

• Затухание УЗ в биотканях больше в сравнении с водой: в жировой в 4 раза, в мышцах в 10 раз, в костной ткани в 75 раз.