Пусть УЗ-волна падает нормально на границу раздела сред. Интенсивность падающей волны -I1, интенсивность преломленной волны –I2.
I2/ I1=β - коэффициент проникновения звуковой волны.
По закону Релея:
β= (4c1ρ1/c2ρ2) / { c1ρ1/c2ρ2+1}2
При c1ρ1 = c2ρ2 коэффициент проникновения максимален и равен 1. В этом случае УЗ волны проходят во вторую среду без отражения.
Если c1p1<<c2p2, то c1p1/c2p2<<1 и коэффициент проникновения β рассчитывается по формуле:
Β= (4c1p1/c2p2).
Вэтом случае проникновение будет незначительное, а отражение УЗ-волны максимальное. Например, коэффициент проникновения на границе воздух-кожа составляет 0.08%.
•Если волновые сопротивления сред соизмеримы, то часть волнового потока отражается, а часть его проходит во вторую среду. В этом случае коэффициент проникновения рассчитывается по формуле Релея.
•Например, на границе глицерин-кожа коэффициент проникновения составляет 99,3%, а доля отраженной волны составляет 0.7%. Следовательно, если УЗ-излучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникает внутрь, т.к. практически полностью отражается от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. При использовании водного желе, которым покрывают поверхность кожи, интенсивность преломленной (проникающей) волны наибольшая.
•УЗ-волны обладают высокой отражательной способность на границе мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов.
•Если на пути распространения УЗ волны встречается другая среда, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая – отражается в первую среду.
•На границе раздела происходят основные явления: отражение, преломление и трансформация волн.
•Преломление – это изменение направления распространения волны, а трансформация – преобразование (превращение) волны одного типа в другой.
•Переходыисходногосостоянияволны вдругие связаныэнергетическими соотношениями, определяемыми, главным образом, типом падающей волны, углом ее падения и соотношением удельных акустических сопротивлений обеих сред.
В общем случае, если волна падает на границу раздела двух твердых сред под углом β из первой среды во вторую, то в обеих средах возникают четыре волны:
в каждой по две волны продольного и поперечного типа.
Причем при облучении продольной «l» -волной образуются отраженные продольная «l1» и поперечная «t1», возникшая в результате явления трансформации, и две преломленные волны «l2» и «t2», из которых последняя трансформированная (рисунок слева).
При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны «l1» и «t1», но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные
–«l2» и « t2», где волна продольного типа «l2» также трансформированная (рисунок справа).
• Углы отражения βe1, βt1и αe1, αt1 преломления (ввода) отсчитываются от нормали к границе раздела в точке падения (ввода), они связаны между собой и
углом падения β через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов» в оптике» в оптике).
Отражение и преломление УЗ-волн при различных углах падения
• Первый критический угол.
Увеличиваем угол падения (рис. слева) до тех пор, когда уже продольная волна не вводится во вторую среду, а «скользит» вдоль границы раздела, т.е. αe=900. При этом угол падения принимает значение βe= βkp1. Например, для пары «оргстекло-сталь» первый критический угол βkp1=27,50.
•Пусть в диапазоне βe> βkp1 растет βe.(рис. центр) Во вторую среду вводится поперечная волна. При значении βe= βkp2 уже поперечная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред. Например, для пары «оргстекло-сталь» второй критический угол существует и равен 540. Заметим, что выполнение условия βkp1<β< βkp2 на практике используется как способ возбуждения поперечных волн.
•За вторым критическим углом во вторую среду уже ничто не вводится. Вдоль поверхности в этом случае распространяется неоднородная волна. Она самостоятельно не существует, в данном случае она «живет» за счет энергии падающей, является продольной, но на своем пути теряет энергию, переизлучая
еев поперечную (рис. справа), и с глубиной быстро затухает.
Действие УЗ на ткани
• При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия: механическое, тепловое и химическое.
1. Механическое действие.
В жидких средах при действии ультразвука амплитуда переменного давления изменяется в зависимости от плотности среды, скорости распространения УЗ-волн и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения (пониженное давление) жидкость может разорваться и в ней могут образоваться микрополости (каверны), заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией.
Растяжение,котороемогутвыдержатьжидкостизависитотпримесейвних (наличие газов и газовых пузырьков). При образовании каверн плотность жидкости понижается, а скорость колебательного движения частиц увеличивается. Таким образом УЗ-волны оказывает механическое действие, в основе которого лежит действие переменного давления, создающего кавитацию.
Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны. Исследованиями показано, что кавитация может быть использована для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток (сонопорация).
Разрушение лейкоцитов в поле стабильных, пульсирующих с частотой 20 кГц пузырьков начинается при увеличении амплитуды колебаний до 8 мкм, высвобождениегемоглобинаизэритроцитовпри15...20мкм.Очевидно,чтоэти эффекты обусловлены возникновением достаточно больших гидродинамических усилий вблизи колеблющегося пузырька, нарушающих целостность клеточных мембран.
При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая
интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из популяций элодеи равен 75 мВт/см2 и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см2 (5 МГц). УЗ дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран.
Вопрос о кавитации в биологических тканях под действием ультразвука с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05-2 Вт/см2 является предметом многолетней дискуссии. Сложность идентификации кавитации в ткани обусловлена ее относительной непрозрачностью, препятствующей непосредственному наблюдению и затрудняющей применение оптических методов. Косвенным подтверждением возникновения кавитации в тканях могут служить «дыры», обнаруженные на гистологических препаратах тканей печени и других органов, облученных УЗ с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05-2 Вт/см2.
2. Тепловое действие.
Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука, существуют короткое время. Пониженное давление в каждой точке средысуществуетлишьнапротяженииполупериодаколебаний, затемсменяется повышенным давлением, что приводит к быстрому захлопыванию микрополостей. В результате увеличения колебательного движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших объемах выделяется большая тепловая энергия, что приводит к повышению температуры среды. Следовательно, ультразвук оказывает тепловое действие. Тепловой эффект
ультразвука зависит от его интенсивности и длительности. 3. Химическое действие.
•При захлопывании каверн молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей. Это в свою очередь приводит к образованию ионов и радикалов.
•Например, молекула воды расщепляется на водород и гидроксильную группу, образуются радикалы водорода и гидроксильной группы. Ионы и радикалы вступают во взаимодействие с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами, что может привести к пространственной перестройкой внутриклеточных молекулярных компонентов.
• Таким образом, при кавитации образуются реакционно способные вещества, которые вступают во взаимодействие с молекулами, следовательно, УЗ оказывает химическое действие. Проявляется химическое действие не сразу после облучения, а по истечению некоторого времени.
Биологические эффекты
В зависимости от интенсивности, частоты, длительности УЗ вызывает разные биологические эффекты. При низкой интенсивности и длительности облучения УЗ вызывает чаще положительный эффект, при большой интенсивности и длительности - отрицательный.
1.Облучение малой интенсивности: микровибрация на клеточном и субклеточном уровне. При интенсивности не более 1 Вт/см2 усиливается движение цитозоли, активизируются транспортные процессы в цитоплазматических и клеточной мембранах, что приводит к увеличению проницаемости клеточной мембраны, улучшаются процессы тканевого обмена, таким образом вызывается положительный эффект.
2.Облучение средней интенсивности (менее 10 Вт/см2) переменное ультразвуковое давление может привести к разрушению макромолекул и их перестройке и повреждению.
3.При интенсивностях более 10 Вт/см2 и длительном облучении происходят необратимые морфологические и функциональные изменения – наблюдается отрицательный биологический эффект. Необратимое повреждение начинается чаще всего в ядрах клеток и выражается в патологических деформациях, скручиваниях, разрывах, что приводит к разрушению клеток и гомогенизации ткани.
4.При длительном действии УЗ с частотой 30 кГц в производственных условиях наблюдается утомляемость, сонливость, головокружение, расстройство нервной системы. Это объясняется способностью УЗ вызывать двухфазные изменения возбудимости: сначала повышение в области воздействия ультразвука, а затем понижение.
Ультразвуковая диагностика
ГЕНЕРАТОРЫ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН Рождением ультразвукового метода можно считать создание эхолота или
сонара (гидролокатора) во время первой мировой войны. Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период. Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. 2 Гидролокатор – прибор, который посылает звуковые волны через воду к
погруженным объектам и воспринимает отраженные от них эхосигналы. В последующем эти концепции нашли применение и дальнейшее развитие в медицинской диагностике.
Магнитострикция
Магнитострикция - отличительная особенность ферромагнитных материалов изменять размеры при воздействии магнитных полей.
Джеймс Джоуль обнаружил эту особенность в 1842 г., анализируя образец никеля.
Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у сильномагнитных материалов.
Магнитострикция используется для генерации ультра и гиперзвука. Для гиперзвука с частотой порядка 1 ГГц магнитострикция остается практически единственным реальным методом его получения.
Пьезоэлектрический эффект
Прямой эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Обратный эффект был предугадан в 1881 году Липпманом исходя из термодинамических соображений. В том же году экспериментально открыт братьями Кюри.
ПРЯМОЙ эффект - ПРИЕМ уз колебаний.
Прямой пьезоэлектический эффект - при внешнем механическом воздействии, которое вызывает деформацию монокристаллов, на их гранях возникают противоположные по знаку электрические заряды.
Обратный пьезоэлектрический эффект - при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет его механическая деформация, под которой оно будет расширяться или сжиматься.
ОБРАТНЫЙ эффект - ГЕНЕРАЦИЯ уз колебаний.
Принцип работы эхолокатора: Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.
Процесс УЗ сканирования
–генерация ультразвуковых волн (обратный пьезоэлектрический эффект);
–проникновение ультразвуковых волн в ткани;
–взаимодействие ультразвука с тканями, отражение от границ раздела сред в виде различной силы «эха»;
–преобразование отраженных сигналов в электрический сигнал (прямой пьезоэлектрический эффект);
–регистрация электрического сигнала спомощью различныхвидоврегистрации отраженных сигналов или различных видов развертки изображения.
Строение датчика: смола, керамический преобразователь, корпус, кабель, акустический поглотитель.
Сигналы, используемые в УЗ датчике Сигнал А является запорным сигналом, используемым для управления
посылаемыми сигналами.
Сигнал В содержит выходной и отраженный сигналы.
Сигнал С – выделяет сигналы передачи или приема. Для того, чтобы установитьразличиемеждупосылаемымиипринимаемымисигналами,вводятся временные окна (сигнал D). Временной интервал dt является минимальным временем измерения, аt1+t2 - максимальным. Эти временные интервалы соответствуют прохождению определенных расстояний со скоростью распространения звука в используемой рабочей среде.
После получения отраженного сигнала (в то время, когда сигнал D имеет максимальное значение), вырабатывается сигнал Е, величина которого принимает нулевое значение после окончания действия передающего импульса А. Сигнал F вырабатывается при появлении положительного импульса Е и сбрасывается в случае отсутствия сигнала Е и появления импульса А.
Таким образом, сигнал F будет иметь максимальное значение при наличии объекта на расстоянии, определяемом параметрами сигнала D, т.е. сигнал F