3.5.3. Ультразвук

Ультразвукові коливання і хвилі – це такі пружні коли­вання і хвилі, які мають частоту в межах від 20 кГц до 10⁹ Гц. Оскільки енергія пружних коливань і хвиль пропорційна добутку квадрата амплітуди і квадрата частоти відповід­но до формули (3.61), то ультразвукові коливання і хвилі мають значно більшу енергію, ніж звукові коливання при одній і тій самій амплітуді. Так, наприклад, якщо частота коливань змінюється в тисячу разів, скажімо від 1 кГц (звукові коливання) до 10³ кГц (ультразвукові коливання), то при цьому енергія коливань збільшується в мільйон разів.

З метою генерації та прийому ультразвукових коливань використовують найчастіше два методи: механічний, в якому джере­лом ультразвуку є енергія потоку газу чи рідини, та електромагніт­ний, в якому для отримання ультразвуку вико­ристо­вують енергію електричних коливань відповідної ультра­зву­ко­вої частоти. Недолік першого методу – широкий спектр частот і нестабільність ампліту­ди. Другий метод дає більш вузьку смугу частот, що дозволяє використовувати такі ультразвукові генератори і приймачі з метою контролю і вимірювання, в тому числі і медико-біологічних показ­ни­ків.

Застосування ультразвуку в різних галузях, включаючи медици­ну, пов’язані з тією їх важливою властивістю, що будь-які зміни в середовищі, через яке проходить ультра­звукова хвиля, приводять до зміни швидкості розповсюд­жен­ня і поглинання цієї хвилі, відбиття хвилі від границі розділу, акустичної кавітації – появи мікро­порож­нин в мате­рі­альному середовищі (наприклад, в рідині) під дією ко­ли­вань тиску. Так, при інтенсивності ультразвукової хвилі І = 10⁵ Вт/м² і частоті  = 510⁶ Гц на відстані половини довжи­ни хвилі /2 = 0.03 мм утворюється дуже великий перепад тиску, що дорівнює 6.310⁷ Па/см, тобто цей перепад в 630 разів перевищує нормальний атмосферний тиск. Кавітацій­ний та інші механізми дії ультразвуку можуть викликати механічні ефекти (розрив і загибель бактерій тощо), хімічні ефекти (збудження й іонізацію атомів та молекул з утворен­ням радикалів), які можуть бути як позитивними при віднос­но малих інтенсивностях, так і негативними при вели­ких інтенсивностях ультразвукової хвилі.

Зупинимося більш детально на застосуваннях ультра­звуку в медицині:

1. Зміна швидкості і поглинання ультразвуку в різних органах і тканинах, а також відбиття ультразвукової хвилі на границях різних середовищ в організмі людини лежать в основі відомого методу ультразвукового дослідження (УЗД). Створені спеціальні комп’ютеризовані пристрої, які за певною програмою дозволяють візуалізувати зображення на екрані монітора. Сучасними приклада­ми УЗД в медицині є ультразвукова ехоенцефалографія – діагносту­ван­ня пух­лин та запалень головного мозку, ультразвукова кардіогра­фія – дослідження динаміки серцевої діяльності за допомо­гою ультразвуку, ультразвукова голографія – отримання три­ви­мірних зображень біооб’єктів з використанням інтер­ференції ультразвуко­вих променів тощо.

2. Дія ультразвукової хвилі з малою інтенсивністю на рівні 1 Вт/м² використовується як позитивний терапевтич­ний вплив, в основі якого лежить прискорення фізіологіч­них процесів у клітинах.

3. При збільшенні інтенсивності ультразвуку на декіль­ка поряд­ків (до 10⁶ Вт/м² і вище) внутрішні рухи окремих цитоплазматич­них частин клітин підсилюються, виникає ефект кавітації і, як наслідок, необоротні зміни структури і функцій клітин. Подібний механізм лежить в основі бактери­цидної дії ультразвуку.

4. Ультразвуки великої інтенсивності використовуються також з метою руйнування різного роду новоутворень (пух­лин тощо). Подібний механізм дії ультразвуку застосо­вуєть­ся також в стоматології (зняття зубних каменів, висвердлю­ван­ня зубних кана­лів тощо). Процес руйнування біологіч­них тканин при інтенсивнос­тях вище 10⁶ Вт/м² використо­ву­ється в ультразвуковій хірургії та при ультразвуковому остеосинтезі – зварюванні тканин та кісток за рахунок значного підвищення в них швидкості процесів дифузії.

5. У фармацевтичній промисловості кавітаційні проце­си, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, використовуються для диспергування твер­дих і рідких матеріалів з метою отримання лікарняних порошків і емульсій тощо.

6. Механічні та теплові ефекти, що виникають при дії ультразвуку на різні біологічні тканини, лежать в основі методу ультразвукової фізіотерапії.