ЯГМА

Медицинская физика

Фармацевтический факультет

1 Курс

2 семестр

Лекция № 2.

« Ультразвук »

Составил: Крайнова Е.Ю.

2003 г.

. Ультразвук. Его виды. Источники ультразвука.

Ультразвук (УЗ) – это механические колебания, распространяющиеся в виде продольных волн в упругих средах с частотой свыше 20000 Гц.

По частоте УЗ различают:

• УЗ низких частот (210⁴  10⁵ Гц).

• УЗ средних частот (10⁵ 10⁷ Гц).

• УЗ высоких частот (10⁷ 10⁹ Гц).

• Гиперзвук (10⁹ 10¹² Гц).

Источники УЗ

естественные искусственные

Живые неживые Акустико- пьезо- магнитно-

(дельфин, (ветер, шум механические электрические стрекционные.

летучие листьев,

мыши) обвал,гроза).

1. Акустико-механические – их работа основана на прерывании струи газа или жидкости. Это воздушные или жидкостные свистки. Их недостаток - это нестабильность частоты и амплитуды, их область применения ограничена.

2. Пьезоэлектрические – основаны на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Его сущность: под действием электрического поля происходит механическая деформация тел (сжатие и растяжение). При этом возникают колебания, частота которых зависит от частоты изменения знака потенциала на гранях кристалла. Он начинает вибрировать, излучая механическую волну (УЗ) с соответствующей частотой. Вещества, в которых хорошо выражены пьезоэлектрические свойства - кристаллические диэлектрики (кварц, сегнетова соль).

3. Магнитно-стрикционные – их работа основана на явлении магнитострикции, то есть способности ферромагнитных материалов (кобальт, никель, их сплавы, ферриты), помещённых в переменное магнитное поле, изменять свои размеры с частотой равной частоте поля. При этом возникает УЗ-волна:

Такие преобразователи дешевле пьезоэлектрических, но не могут работать при высоких температурах.

. УЗ генератор. Принципы его работы.

Это техническое устройство для получения и выявления УЗ.

Он состоит:

1.Ламповый или полупроводниковый генератор электрических колебаний УЗ частоты.

2.Излучатель УЗ, преобразующий электрические колебания в механические.

Принцип работы: от генератора к излучателю поступает переменное

электрическое напряжение нужной частоты и мощности. При этом между электродами создаётся переменное электрическое поле, под действием которого кварцевая пластинка изменяет свои линейные размеры. При этом возникают механические колебания в среде в виде ультразвука.

В медицине генератор используется для диагностики, терапии, хирургии, для научных исследований.

Для диагностики – используется генератор с частотой 5-6 МГц и излучатели пьезоэлектрического типа.

В терапии –  = 880 кГц, излучатели пьезоэлектрического типа.

В хирургии –  = 100 кГц, излучатели магнитострикционного типа, работающие либо в непрерывном, либо в импульсивном режиме.

Особенности и свойства УЗ при его распространении в среде.

При достаточно больших частотах (малых ), УЗ обладает некоторыми свойствами:

1.УЗ имеет малую «», поэтому дифракция (огибание) происходит на объектах малых размеров. Другие препятствия УЗ огибает плохо и оставляет за ними «акустическую тень»

при  = 1 кГц  = 1,5 м

 = 1 МГц  = 1,5 мм.

2. УЗ обладает направленностью и может фокусироваться в узкие направленные пучки с помощью специальных линз или придания определённой формы излучателю.

3. УЗ поглощается при взаимодействии со средой и это в значительной степени зависит от его частоты и свойств самой среды. В различных тканях интенсивность поглощения УЗ разная. Глубина, на которой интенсивность УЗ уменьшается вдвое, называется глубиной полупоглощения.

На частоте  = 1 МГц глубина полупоглощения:

• в мышечной ткани – 2,1 см

• в жировой ткани – 3,3 см

• в костной ткани – 0,23см

• в крови – 35,0см.

Поглощение в жидкой среде намного меньше, чем в мягких тканях, особенно, в костной.

4. УЗ может преломляться, отражаться, рассеиваться. Преломление и отражение наблюдается при прохождении УЗ через границу раздела сред с различным акустическим сопротивлением. Почти полное отражение наблюдается при переходе УЗ из твёрдого тела в жидкость или газ. На границе вода-воздух отражение  99% , следовательно, при введении УЗ в ткань между телом человека и излучателем должна быть связующая среда (водная, масляная).

Z₂ – Z₁ ²

r = — коэффициент отражения.

Z₂ + Z₁

кгм кг

Z =  — акустическое сопротивление = =

м³с м² с

. Виды физического воздействия УЗ

И их характеристика.

1. Тепловое – обусловлено поглощением УЗ в среде, в результате чего выделяется тепло, то есть механическая энергия УЗ волны переходит в тепловую. Это обусловлено:

• периодическим сжатием участков среды;

• трением частиц среды, особенно выраженном на границе раздела;

• поглощением УЗ средой;

Так как поглощение УЗ различно различными средами, то и выделение тепла не будет одинаковым. При j_УЗ = 5 Вт/см² и t = 1 мин. Температура мышц повышается на 1 ⁰С, а костного мозга на 5 ⁰С.

Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Ткани со сложной структурой более чувствительны, чем однородные. Локальный нагрев ткани на доли градусов увеличивает жизнедеятельность биологических объектов, интенсивность процессов обмена. Длительное воздействие приводит к перегреву.

2. Механическое – обусловлено переменным давлением, возникающим в среде при прохождении УЗ. Перепады давления приводят в колебательное движение частицы среды, что обуславливает его «дробящее» действие и более равномерное распределение частиц по всему объёму (приготовление эмульсий, аэрозолей и т.п.). При распространении УЗ в жидкости в момент разряжения (УЗ – продольная волна) происходит микроразрыв жидкости – то есть образуется полость, в которую устремляются растворённые в жидкости газы и пары самой жидкости (образуется кавитационный пузырёк). В момент сжатия происходит захлопывание пузырьков. При этом создаются кратковременные (t  10^-6 с) импульсы давления (  10⁸ Па и более). Они способны разрушить весьма прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатным нагревом газа в пузырьке и его ионизацией. Кавитация происходит при j  8 кВт/м².

Ещё одно механическое воздействие УЗ волн – возникновение акустических

потоков – звуковой ветер. С их помощью перемешиваются жидкости.

3. Физико-химическое – тесно связано с явлением кавитации, так как в кавитационных пузырьках кроме больших давлений возникают электрические потенциалы, что приводит, в частности, к образованию свободных радикалов и атомарного водорода в воде. Под действием УЗ происходят процессы окисления в некоторых растворах, а также ускоряются различные химические процессы (звуковая химия).

4. Биофизическое действие уз. Особенности распространения уз в тканях.

Комплексное действие УЗ на биологические объекты основано на механических, тепловых и химических факторах. Биологическое действие УЗ зависит от частоты, интенсивности, от времени действия, от типа ткани, её физиологического состояния, от вида воздействия.

В медицине выделяют УЗ разных интенсивностей:

Малые и средние величины – оказывают положительный биологический эффект (стимуляция роста и развития клеток способствует жизнедеятельности объекта, повышает интенсивность обмена веществ). Микромассаж тканей происходит за счёт микровибрации на клеточном и субклеточном уровне.

Высокие и сверхвысокие интенсивности - вызывают замедление роста клеток, разрушение биоструктур. Например, большие дозы УЗ снижают активность вирусов гриппа почти в тысячу раз, а некоторые бактерии (стрептококки, стафилококки) уничтожаются полностью.

Очень чувствительна к УЗ нервная ткань и внутренние органы. При воздействии больших доз УЗ на сердце может возникнуть стенокардия, на кожу – физиологическое и функциональное её изменение.

УЗ оказывает воздействие на клеточные мембраны. Акустические потоки приводят к переносу вещества и перемешиванию жидкостей. Внутри клетки микропотоки могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму, изменять её вязкость. Они могут отрывать от мембраны биологические макромолекулы, изменять поверхностный заряд мембран и их проницаемость, оказывая влияние на жизнедеятельность клетки. Под действием УЗ мембраны могут разрушаться.