Вопросы и задачи к главе 3

1. Какие животные способны воспринимать звук, ультразвук, инфразвук?

2. Какое физиологическое значение имеет логарифмическая зависимость уровня громкости от интенсивности звуковой волны?

3. На каких частотах наибольшая чувствительность здорового человеческого уха? Почему?

4. Какова интенсивность звуковой волны на частоте 1кГц, если уровень громкости 90 фон?

5. Как будет выглядеть аудиограмма пациента, у которого на всех частотах кривая порога слышимости лежит ниже пороговой кривой по ГОСТу?

6. Начертите акустический спектр монотонного звука.

Глава 4. Ультразвук. Его применение в медицине инфразвук

4.1. Физические свойства ультразвука

1. Частотный диапазон ультразвука

Ультразвук – это колебания и волны с частотой, большей звуковой. На рисунке 4.1 шкала механических колебаний.

Рис. 4.1. Шкала механических волн: инфразвук (ИФ), звук (З), ультразвук (УЗ), гиперзвук (ГЗ) (объяснения в тексте).

Механические волны не могут распространяться в упругой среде, когда их длина волны становится сравнима с расстояниями между молекулами. Поэтому в газах при нормальных условиях не может распространяться ультразвук с частотой, большейГц. Для частотыдлина волны:

становится сравнима со средним расстоянием между молекулами газа. м/ с – порядок скорости распространения механической волны в газах при нормальных условиях.

А при частотах, больших Гц уже не может распространяться и в конденсированных средах – жидкостях и твёрдых телах. При этой частоте его длина волны:

что сравнимо с расстояниями между молекулами в жидкостях и твёрдых телах.

2. Скорости распространения ультразвука

Важным параметром ультразвука является скорость его распространения в данной среде. Скорость ультразвука примерно равна скорости звука. Звуковые и ультразвуковые скорости в некоторых средах представлены в таблице 4.1

ТАБЛИЦА 4.1

СКОРОСТИ АСПРОСТРАНЕНИЯ ЭВУКА И УЛЬТРАЗВУКА В НЕКОТОРЫХ СРЕДАХ

Среда	Скорость, м/с
Воздух	около 340
Вода и мягкие ткани	1500
Костная ткань	3500
Дерево	2500
Железо	6000

3. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УЛЬТРАЗВУКА

Широкое применение ультразвука в фармации и медицине определяется особенностями его физических свойств.

Высокая частота ультразвука определяет:

1.малую длину волны, так как длина волны обратно пропорциональна частоте:

2.возможность получать большие интенсивности ультразвуковой волны при сравнительно небольших амплитудах A, так как интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты :

где - плотность среды,- круговая частота,v- скорость распространения ультразвука.

У звука с эталонной частотой длина волны в воде и мягких тканях:

А у используемого в медицине и фармации ультразвука с частотой 1 МГц = Гц длина волны в этих средах:

Из относительной малости длины ультразвуковой волны следует:

1. ультразвук не дифрагирует на малых неоднородностях среды размером до нескольких миллиметров. Дифракция – это отклонение волны от прямолинейного распространения на неоднородностях среды, например огибание волной краёв препятствий и отверстий.

2. ультразвук может излучаться с поверхности излучателя узким пучком, а если поверхность излучателя сделать вогнутой, то ультразвук можно фокусировать на нужную точку объекта.

4. ОТРАЖЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД

Ультразвук отражается на границе раздела двух сред, если в этих средах разные акустические – волновые сопротивления z = ρ v, где

ρ – плотность среды, а v – скорость распространения ультразвука в этой среде. (см. рис.4.2)

Рис. 4.2 Отражение ультразвука на границе раздела двух сред.

На рисунке 4.2:- интенсивность падающего на границу раздела двух сред ультразвука,-проходящего через границу ультразвука.

Коэффициентом отражения ультразвука на границе двух сред R называется отношение интенсивности отражённой волны к интенсивности падающей волны

(4.1)

Коэффициент отражения связан с акустическими сопротивлениями сред:

(4.2)

где - акустическое сопротивление первой среды, а- второй среды.

5. ПОГЛОЩЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

При прохождении через среду ультразвук ослабляется, при этом энергия механической волны превращается во внутреннюю энергию среды. (см. рис. 4.3 а и 4.3 б ).

Рис. 4.3 Поглощение ультразвука при прохождение через среду(объяснения в тексте).

Интенсивность ультразвука I , прошедшего слой толщиной l,

где - начальная интенсивность ультразвука, падающего на слой вещества, а- коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому ультразвук сильнее поглощается, чем звук, а звук сильнее, чем инфразвук.

4.2 ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ВЕЩЕСТВО. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Действие ультразвука на вещество:

механическое тепловое физико-химическое

1. Механическое действие

Ультразвук больших интенсивностей может оказывать сильное механическое действие на вещество. Рассмотрим механическое действие ультразвука на жидкости. В местах сжатия и разрежения продольной ультразвуковой волны могут при даже не очень больших амплитудах развиваться большие силы. Это является следствием большой частоты ультразвука. Дело в том, что ускорение а при колебаниях частиц среды, вызванных механической волной, прямо пропорциональны квадрату частоты колебания.

Смещение частиц от положения равновесия:

их скорость:

а ускорение:

По второму закону Ньютона F=ma, и следовательно, силы, действующие на частицу среды, через которую проходит волна, тоже прямо пропорциональны квадрату частоты:

При прохождении ультразвуковой волны большой интенсивности через жидкость может возникнуть явление кавитации – разрыв сплошной среды в местах разрежения волны (см. рис.10.3 а,б)

Рис. 4.4. Кавитация (объяснения в тексте).

Мелкие кавитационные пузырьки, наполненные паром жидкости, затем после смены зоны разрежения 1 зоной сжатия 2 схлопываются(рис. 10.3 в). В основном, под действием давления Лапласа ( см.раздел I, 5.4). Так как радиус пузырьков очень мал, давление Лапласа велико. При схлопывании кавитационного пузырька образуется ударная волна УВ, которая разрушает поверхности погружённых в жидкость тел.

2..Тепловое действие

Ультразвук может сильно нагревать среды, через которые проходит вследствие двух причин:

1. может быть достигнута большая интенсивность ультразвука,

2. ультразвук сильно поглощается веществом, при этом энергия ультразвуковой волны превращается во внутреннюю энергию вещества – вещество нагревается.

3. Физико-химическое действие ультразвука

При больших интенсивностях ультразвук повышает константу скорости химических реакций, увеличивает проницаемость мембран, При очень больших интенсивностях ультразвуковой волны может наблюдаться ионизация вещества и появление свободных радикалов.

4. Биологическое действие ультразвука

Действие ультразвука на биологические объекты определяется его частотой, временем действия и интенсивностью

При малых интенсивностях 0, 01 Вт/– нет заметного влияния на организм.

При средних интенсивностях 1 Вт/при ограниченном времени облучения возможно благотворное действие ультразвука.

При больших интенсивностях и при длительном воздействии– вредное действие на организм, а при интенсивностях 3 Втультразвук разрушает ткани.

4.3 ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ И ФАРМАЦИИ

ТАБЛИЦА 4.2

Схема различных применений ультразвука в медицине

и фармации:

диагностика	хирургия	санитария и гигиена	фармация
эхолокация, доплерография	рассечение тканей сваривание тканей, дробление камней	стерилизация	диспергирование, приготовление лечебных суспензий, эмульсий, аэрозолей.

1. Диагностика.

Для диагностики применяются ультразвуковые волны малой интенсивности, I ≈ 0,01 Вт/см, не оказывающие заметного биологического действия. Наиболее известный метод ультразвуковых исследований –УЗИ – ультразвуковая эхолокация. Эхолокация – определение неоднородностей в организме на основе исследования отражения волны от этих неоднородностей. Для определения малых неоднородностей, например определяющих пол плода на ранних стадиях развития, камней в печени или в почках, зародышей раковых опухолей звуковые исследования не годятся. У звука большая длина волны, порядка метра. Поэтому звуковая волна не отразится от малых неоднородностей, а обогнёт их вследствие дифракции. А ультразвук с длиной волны порядка миллиметра великолепно отражается от малых однородностей размером больше нескольких миллиметров.

Ультразвуковая эхолокация не только обнаруживает малые неоднородности в организме, но и определяет глубину их расположения.

На рисунке 4.5 показана упрощённая схема эхолокации.

Рис. 4.5 Упрощённая схема эхолокации (объяснения в тексте).

В излучателе – приёмнике ИП электрический сигнал от генератора Г преобразуется в ультазвуковую волну. Ультразвуковой сигнал,отразившись от неодноодности н/о, возвращается к ИП. Теперь он опять преобразуется в электрический сигнал, который поступает в регистратор Р.Фиксируется время между посылкой и приёмом ИП ультразвукового сигнала. Глубина расположения неоднородности связана со временем и со скоростьюраспространения ультразвуковой волны простым соотношением

Это очень упрощённо изложенная идея, положенная в основу ультразвуковой эхолокации. Современная аппаратура УЗИ позволяет сканировать исследуемый объект и получать на дисплее изображение объекта в разрезе.

Доплерография же позволяет еще определять направление и величину скорости движения неоднородностей. Эффект Доплера – изменение частоты волнового сигнала, принимаемого приёмником. при движении источника сигнала относительно приёмника. Если источник И движется к приёмнику П, частота принимаемого сигнала повышается, если от приёмника – понижается. (см. рис.4.6.)

Рис.4.6 Эффект Доплера (объяснения в тексте)

Зависимость частоты сигнала на приёмнике _V от скорости движения источника относительно приёмника u при скорости распространения ультразвука в среде и частоте сигнала, излучаемого источником -₀ можно представить упрощённой формулой:

Неоднородности, от которых отражается ультразвук, сами становятся как бы источником ультразвука. При их движении частота ультразвука, воспринимаемая приёмником, меняется (см. рис.4.6).

Доплерография позволяет, например, исследовать скорость течения крови, по изменению частоты сигнала, отражённого от эритроцитов, работу клапанов сердца.

2. Терапия

Ограниченное по времени облучение ультразвуком средних интенсивностей применяется при лечении ряда заболеваний. Например, радикулита, артрита, тромбозов, воспалительных процессов, гинекологических заболеваний. Широко применяется фонофорез – введение лекаственных препаратов под действием ультразвука. Лечебное действие ультразвука объясняется физико–химическим и тепловым эффектами.

3.Хирургия

Ультразвук больших интенсивностей ( до 10 Вт/см ) применяется для рассечения тканей. А также и для других целей, например для дробления камней в почках. При этом используется механическое действие ультразвука на вещество. Но также в хирургии ультразвук применяется для сваривания костей, что основано на тепловом эффекте.

4.Санитария и гигиена

Ультразвук больших интенсивностей губителен для клеток болезнетворных микроорганизмов. Его, например, можно применять для стерилизации хирургических инструментов, воды, фармацевтического оборудования. Ультразвук больших интенсивностей разрушает клеточные мембраны.

5.Фармация

Важнейшее применение нашёл ультразвук в фармации. Ультразвуковые диспергаторы – размельчители широко используются для приготовления различных лекарственных средств, например лечебных суспезий, эмульсий, аэрозолей. Здесь используется механическое действие ультразвука больших интенсивностей на вещество.

Ультразвук также применяется для приготовления липосом – маленьких, размером от несколько десятков до сотен нанометров фосфолипидных везикул – пузырьков. Липосомы применяются как контейнеры для доставки лекарственного вещества в организм. Фосфолипидная оболочка предотвращает преждевременную дезактивацию лекарства и обеспечивает его пролонгированное действие.