Аппарат УЗТ (ультразвуковой терапии) / КР3 (УЗИ-материалы)

•Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

•Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

•Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Это используется на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти алмазные вкрапления.

Законы распространения звуковой волны

Акустические волны способны распространяться в средах, состоящих из упругоговещества. Упругостьобеспечивает возвращение висходное положение частиц среды, смещенных под воздействием каких – либо внешних сил.

Если поршень в упругой среде сместить на небольшое расстояние, то слой вещества перед поршнем, испытывая давление, сожмется, а затем начнет расширяться, сдавливая соседний слой, тот, в свою очередь, расширяясь, сдавит следующий слой. В результате в среде возникает последовательность сжатий и разрежений, которые и представляют собой акустические волны, распространяющиеся в среде и передающие все новым и новым слоям вещества возмущение, возникающееупоршня. Частицы среды при этом не переносятся

внаправлении распространения волн, алишь колеблются около положения равновесия.

Волны называются продольными, если направление колебаний частиц

совпадают с направлением распространения волн. Если эти направления перпендикулярны, то поперечными.

Если амплитуда колебаний частиц невелика и не меняется во времени, то

распространение плоской акустической волны можно описать уравнением:

= ( − + 0)

S – смещение частиц среды от положения равновесия, А – максимальное смещение (амплитуда),

t – время,

x – положении частицы на оси координат, в которых распространяется волна,

– циклическая частота колебаний,k – волновое число,

0–начальная фаза. =2 ; =1/ ;

=2 /

В газообразных и жидких телах, в мягких тканях БО, содержащих около 75% воды, распространяются продольные волны. Исключение составляют волны на поверхности жидкостей. В твердых телах (кости скелета) могут возникать поперечные сдвиговые волны наравне с продольными.

Максимальная скорость колебания частицы зависит от частоты:

=

Максимальное ускорение колебания частицы зависит от частоты:

= 2

сопротивление среды можно вычислить все основные параметры волны.

Пример: УЗ распространяется в воде, частота 1 МГц, интенсивность 1 Вт/см2. Амплитуда колебания частиц составит 0,02 мкм, скорости 0,1 м/с, а максимальное ускорение составит 700 м/с2, что составляет порядка 70g. Амплитуда акустического давления составит около 1,8 атмосфер.

С учетом размеров клетки и расстояния, на которое приходится максимальная разность параметров волны ( /2), оценим градиенты изменения

ускорения (B), скорости/ и амплитуды/ колебания частиц/ и давления.

В/ /2= ; /2= ; /2= ; /2= ;

-амплитуды смещения соответствующих величин на отрезке /2 Умножая градиент на размер клетки получаем разность смещений, равных размерам клетки.

Пример: При частоте 1 МГц, интенсивности 1 Вт/см2, амплитуда смещения в биологических средах 2*10-6см, тогда градиент порядка 8*10-5. При таких условиях клетки-эритроциты 5*10-3см (например, эритроцит) периодически испытываютдеформациюпорядка5*10-7см. Этосовпадаетпопорядкувеличины с пороговыми смещениями, вызывающими появление импульсной биоэлектрической активности механорецепторов.

• Экспериментально показано, что УЗ вызывает возбуждение изолированных механорецепторов при A = 2*10-6 см (0.4-2,5 Вт/см2; 0,48 МГц) и тактильные ощущения на руке человека при А = 10-5 см. см (8-10 Вт/см2; 0,48 МГц).

• Учитывая, что вязкость биосреды примерно в 25 раз выше воды, амплитуда сдвигового усилия, действующего на клетку, составит примерно 10 Н/м2. Эта величина намного меньше величины усилий, разрушающих клетку.

Эритроциты при температуре до 37°С разрушаются при сдвиговых усилиях >40 Н/м2.

•Однако, другие структуры подвержены влиянию. Тиксотропные явления – обратимые изменения вязкости при разрушении гелеобразной структуры, наблюдаются при интенсивностях порядка 0,04 Вт/см2.

•Амплитуда переменного ускорения в ультразвуковой волне с частотой 1 МГц и интенсивностью 1 Вт/см2 составит 700 м/с2 a gradВ -2,8*10-6с-2. Таким образом, разность ускорений противоположных полюсов клетки размером 5*10- 3см будет равна 1,4*104см/с2.

•Если предположить, что вся масса клетки разделена поровну и

сконцентрирована на ее противоположных полюсах, то и тогда максимальная разность сил, приложенных к полюсам, составит 0,5*10-13 Н и очевидно не сможет сколько-нибудь заметно влиять на клетку.

Следует отметить, что в реальных условиях при учете равномерного распределениямассыклеткиэтаразностьсилоказываетсязначительноменьшей.

Амплитуда звукового давления составит 18 Н/м2, grad 2,6*10-4Н/м3, а амплитуда силы, действующей на клетку, будет равна 2*10-10Н. Эта величина значительно меньше значений, характеризующихпрочность клетки, и не окажет существенного влияния на ее структуру и функции.

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 исключительныхслучаях, 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,

атакже 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,усредненнойпопространству(ISA),называютвеличину, 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=Ioe-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.

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

I=Io2-kh

вместо коэффициента поглощения вводится физическая величина - глубина полупоглощения H.

Глубина полупоглощения - это глубина, на которой интенсивность УЗволны 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

иквадрату частоты колебаний, быстро увеличивается с возрастанием частоты и

зависит от свойств вещества, температуры, давления и других условий.

k=2 2/3 3

• Величина 1/ 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.

Затухание ультразвука

Поглощенная биосредой УЗ-энергия выделяется в основном в виде тепла, что приводит к повышению температуры вещества. Это повышение температуры неоднократно измеряли экспериментально и рассчитывали теоретически. Теплопродукциявразныхтканяхнеодинаковаиз-заразличий вих коэффициентах поглощения.

•Можно показать, что в мышечной ткани толщиной в 1 см при интенсивности 1 Вт/см2 в течение секунды поглощается около 0,3 Вт. Этому соответствует выделение тепла, достаточное для нагревания 1 см3 воды на 0,1.

•Полагая, чтотеплоемкостьмышечной ткани и водыпримерно одинакова, легко подсчитать (без учета рассеивания тепла), что мышечная ткань в этих условияхнагреваетсяна1°Сза10с. Экспериментальноповышениетемпературы

втканях наблюдали многие авторы.

•Однако результаты их исследований существенно различаются, что может быть обусловлено неравномерностью ультразвукового поля разных

излучателей, различной степенью неоднородности исследованных тканей, разными условиями рассеивания теплоты.

•При облучении, например, брюшной полости собаки ультразвуком (0,5 Вт/см2; 0,88 МГц) температура в жировой ткани за 10 мин повышается на 3-4 °С,

ав печени и на передней стенке желудка - на 0,5 - 0,8.

•В икроножной мышце лягушки, облучаемой ультразвуком (1 Вт/см2; 0,88 МГц) в течение 5 мин, температура повышается не более, чем на 5-7 °С.

Порог теплового повреждения тканей мало зависит от их начальной температуры, режима облучения и частоты ультразвука. Если температура ткани в ультразвуковом поле не превышает 42-43°С, то, по данным некоторых авторов, морфологические изменения в ней не наблюдаются даже после 8- часового облучения.

• Значительно больше, чем в объеме однородной ткани, выделяется теплота на границах раздела тканей с отличающимися акустическими сопротивлениями или на неоднородностях структуры ткани. Возможно, именно этим объясняетсяи то, чтоткани со сложной архитектоникой (например, легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (например, печень). Полагают, что нагревание тканей и градиенты температур на границах раздела разных тканей в основном и обусловливают биологическое действие ультразвука. Однако имитация ультразвукового нагревания тканей с помощью других термогенных воздействий - инфракрасным излучением, высокочастотными электромагнитными волнами, горячим парафином и пр. не даеттогобиологическогоитерапевтическогоэффекта,которогоудаетсядостичь с помощью ультразвука.

Ультразвук на границе сред

• Отражение УЗ на границе раздела сред зависит от соотношения волнового сопротивления сред.

Волновое сопротивление является характеристикой среды, определяющей условие отражения и преломления волн на границе сред.