Ультразвук

Ультразвук – это упругие механические колебания и волны, частоты которых лежат в интервале 2 х 10⁴ – 10¹²Гц. Электромеханические УЗ излучатели используют явление обратного пьезоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в механической деформации тел под действием электрического поля.

В медицинских приборах генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник. Используются генераторы УЗ колебаний, работающих как в непрерывном, так и в импульсном режимах (например, при эхокардиографии). При непрерывном излучении информацию об исследуемом объекте несет стоячая волна, возникающая при интерференции падающей волны и волны, отраженной от поверхности объекта.

При импульсном режиме работы УЗ излучается короткими импульсами. Интервал между ними используется для приема отраженного импульса и определения времени распространения УЗ до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость (V) распространения УЗ, можно определить глубину залегания (Н) исследуемого объекта, так как путь S, проходимый волной равен S = Vt. При определении глубины залегания отражающей поверхности путь, проходимый УЗ, делят пополам: Н = Vt/2.

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330 м/с, в жидкости – 1500 м/с. Однако существуют особенности:

1). Малая длина волны. Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ=V/f, найдем: для звука с частотой 1кГц длина волны λ= 1500/1000 = 1,5 м; для УЗ с частотой 1 МГц длина волны λ= 1500/1000000 = 1,5 х 10^-3м = 1.5 мм. Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны с длиной волны 1.5 м, но станет преградой для УЗ волны с длиной волны 1,5 мм.

2). Поглощение, глубина поглощения. При прохождении УЗ через вещество происходит его ослабление вследствие поглощения. Поглощение УЗ в веществе весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Поглощение в жидкой среде организма значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани.

3). Преломление и отражение. При прохождении УЗ через границу раздела сред с различными волновыми сопротивлениями происходит его преломление и отражение. Чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем больше доля отраженной энергии и меньше доля энергии, переходящей через границу раздела. Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха, поэтому отражение на границе воздух – кожа составляет 99,99%. Если УЗ приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшая отражение.

Взаимодействие УЗ с веществом:

При распространении УЗ волны в веществе развиваются деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением его частиц, т.к. УЗ волна является продольной. В зависимости от интенсивности УЗ волны эти деформации могут вызывать либо незначительные изменения структуры, либо ее разрушение. Используется при измельчении сред.

При распространении УЗ в жидкости в областях разряжения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву в сплошной жидкости и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости. Это явление называется кавитацией. Кавитация существует недолго, пузырьки быстро захлопываются, что сопровождается сильным разогревом их содержимого, при этом также выделяются газы, содержащие атомарные и ионизированные компоненты. В результате вещество в кавитационной среде подвергается интенсивным воздействиям: выделяется энергия, происходит разогрев вещества, ионизация и диссоциация молекул. Облучение ультразвуком с интенсивностью, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов. Кавитация также применяется в стоматологии при ультразвуковой чистке зубов, разрушая зубной камень и пигментированный налет («налет курильщика»). В ряде случав эффект кавитации приводит к повреждению поверхности пломб и керамических реставраций. Ультразвуковой метод действует через водную оболочку между инструментом и зубом. Возникающая в ультразвуковом поле направленная гидродинамическая волна разрушает ткани (дробит подобно тому, как ультразвук дробит камни в почках). Полости, образующиеся при такой обработке зубов, имеют самые минимальные размеры.

При облучении УЗ происходит нагревание тканей. Теплота выделяется в основном не в объеме ткани, а на границах раздела тканей с разными акустическими сопротивлениями или в одной и той же ткани на неоднородностях ее структуры. Ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к УЗ, чем однородные ткани (печень). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие может привести к перегреву ткани и разрушению.

Под воздействием УЗ в веществе могут происходить изменения в окислительно-восстановительных реакциях. При этом могут протекать даже такие реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. В частности, действие УЗ проявляется в расщеплении молекулы воды на радикалы Н⁺ и ОН^- с последующим образованием перекиси водорода.

Ультразвуковые механические колебания частиц вещества в тканях могут вызывать благоприятные структурные перестройки вследствие микровибрации на клеточном и субклеточном уровне, микромассажа тканевых структур. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей. В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.

УЗ оказывает воздействие на клеточные мембраны. Акустические течения приводят к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Внутри клетки микропотоки могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму и изменять ее вязкость. Они могут отрывать от клеточных мембран биологические макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный заряд мембран и их проницаемость, оказывая этим влияние на жизнедеятельность клетки. При достаточно большой интенсивности УЗ происходит разрушение мембран. Изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на УЗ воздействие. УЗ способствует проникновению лекарственных веществ в ткани через поры кожи (фонофорез). Аутогемотерапия – внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура оказывается более эффективной, если взятую кровь перед вливанием облучить УЗ. УЗ облучение повышает чувствительность клетки к воздействию химических веществ. Это позволяет создавать более безвредные вакцины, т.к. при их изготовлении можно использовать химические реактивы меньшей концентрации. Предварительное воздействие УЗ усиливает действие γ- и СВЧ облучения на опухоли.