Лекция по теме (УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ)

                                                 УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

     Механические волны,  у которой частота  колебаний  превышает 20000 Гц, называется ультразвуковым излучением. За последние годы это излучение нашло широкое распространение в медицине для  диагностики патологических  состояний и для лечения заболеваний.  Использование ультразвуковых     волн  основано  на его  физических свойствах и механизмах  взаимодействия  с  веществом.  Рассмотрим способы получения ультразвуковых излучений, их физические свойства, механизмы взаимодействия с живым  организмом  и биофизические принципы, которые определяют его практическое использование в медицине.

                                   ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

     Получение ультразвука основано на двух физических явлениях пьезоэффекте и магнитострикции. Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект  заключается в том,  что при механических воздействиях на некоторые кристаллические тела возникают  электрические поля. Так например, если  к кварцевой пластине приложена механическая сила F , на ее поверхностях  возникают электрические заряды и, следовательно, электрическое поле. В  данном случае  кристалл  служит  преобразователем  механического   воздействия  в электрический сигнал. Если к такому   кристаллу подвести переменное электрическое напряжение U=U_m sin wt, будет наблюдаться обратный пьезоэлектрический эффект - изменение толщины пластины h во времени  по  закону  изменения    приложенного напряжения   h  =  h_о + Dh sin wt. При  периодическом изменении  положения  поверхности  кристалла   возникают колебания молекул среды, которые распространяются в среде в  виде механической волны. Если частота переменного  напряжения  будет  достаточно велика (f > 20000 Гц),  в  среде   возникают ультразвуковые волны 

    Как известно,  интенсивность  механических  волн определяется частотой, амплитудой колебания молекул и механическим импедансом среды I =(Z w² Х²)/2. Поэтому получение мощных ультразвуковых излучений требует  достаточно больших смещений поверхности пьезокристалла и молекул среды. С помощью обратного пьезоэффекта не удается получить высокоинтенсивное излучение, поскольку пьезокристаллы обладают высокой хрупкостью и малой прочностью. С увеличением амплитуды  приложенного напряжения изменение толщины кристалла h достигает такой выраженности,  что он разрушается. Более мощный ультразвук получают в результате использования магнитострикции. Этот феномен основан на способности ферромагнитных  тел  изменять свои геометрические размеры в магнитных полях. Если стержень из такого  ферромагнитного материала  поместить  в соленоид  и приложить к его об

мотке переменное электрическое поле,  в соленоиде будет протекают переменный электрический ток.  Этот  ток  создает  переменное  магнитное поле с индукцей В,  которое вызывает соответствующее изменение длины стержня Колеблющиеся  поверхности торцов стержня приводят в колебательное движение молекулы среды  и этот процесс распространяется  в пространстве в виде ультразвуковой волны.

С помощью  явления магнитострикции можно получать значительно более интенсивное ультразвуковое излучение по сравнению с  пьезоэффектом, поскольку  ферромагнитный стержень обладает существенно большей прочностью. Как уже отмечалось, ультразвук имеет довольно высокую частоту и, следовательно, малую длину волны. Так например,  для  наиболее распространенных в физиотерапии ультразвуковых  генераторах УЗТ-101 частота равна 880 кГц, т.е. 880000 Гц. Поэтому длина ультразвуковой  волны при распространении в воздухе составляет:

                                         l = С :  f = 330 :  880000 = 0,000375 м = 0,375 мм. 

Здесь С  - скорость распространения механических волн в воздухе, f - частота ультразвука. Такая  малая  длина  волны определяет особенности ее распространения в среде. Из физики известно , что явление дифракции  зависит  от  длины  волны:  чем  больше  длина,  тем сильнее дифрагируют волны. Следовательно ультразвук должен слабо дифрагировать при распространении в однородных средах и его можно  собирать в  виде достаточно узких направленных ультразвуковых пучков.

     Концентрация ультразвука  осуществляется в результате использования специальных устройств  -       ультразвуковых     концентраторов, принип работы которых основан на полном внутреннем отражении.  Ультразвуковое излучение,  генерируемое с помощью магнитострикции,  поступает   в  концентратор, изготовленный из  материала с высокой прочностью и плотностью (наиболее часто используются металлы). При распространении  излучения оно  достигает  границы  раздела и полностью  отражается,  поскольку механический  импеданс материала концентратора  значительно больше импеданса среды.  Интенсивность ультразвука, поступающего через поверхность S₁ в единицу  времени можно выразить в виде:  I₁ = E/(S₁ t), где  t длительность излучения, а  Е = I₁ S₁ t - энергия,  которую генерирует излучатель. Если пренебречь потерями  энергии  в концентраторе,  то и через поверхность S₂ в единицу времени в среду поступает такая же энергия:   Е = I₂ S₂ t = I₁ S₁ t

     Откуда следует  вывод:  I₂ = I₁ S₁ /S₂.  Поскольку S₁ >> S₂, в концентраторе происходит не только формирование узкого пучка,  но и увеличение интенсивности излучения.

             МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА С ВЕЩЕСТВОМ

     Наибольший практический интерес вызывают следующие механизмы взаимодействия   ультразвука   и  физические  эффекты в  веществе: выделение тепла, радиационное давление, образование конвекционных потоков и кавитация.

     При прохождении ультразвука в любой среде механическая волна преодолевает сопротивление вязких сил. Поэтому часть механической энергии теряется в веществе и выделяется в виде тепла. Как следует из теории волновых процессов, по мере распространения ультразвуковой волны ее интенсивность уменьшается по закону I = I_о e ^-bX , где b - коэффициент поглощения,  зависящий от вязкости, плотности среды и частоты волны.  Поскольку частота ультразвука  достаточно велика, поглощение  энергии  и  выделение тепла достаточно значительно, особенно в материалах с  высокой  плотностью  (в  костной ткани). При воздействии очень интенсивных ультразвуковых  излучений тепловой нагрев настолько выражен,  что происходит разрушение биологических тканей. На этом основано   хирургическое  использование ультразвуковых волн, и ультразвуковые излучатели применяются как своеобразные скальпели. С  помощью ультразвука можно разрушать не только мягкие ткани, но и кости.

     Как уже отмечалось, механическая волна оказывает давление P = ZwX_m  на  препятствие, которое встречается на ее пути. Не составляет исключения и ультразвуковые волны. Поскольку ультразвук имеет достаточно высокую частоту w, величина радиационного  давления  довольно значительная.

     При распространении ультразвуковых волн в неоднородных гетерогенных жидких  средах возникают области с неодинаковым давлением, между которыми происходит перемещение жидкости.  Образующиеся при этом потоки носят название конвекционных. Они  способствуют перемешиванию среды и увеличению скоростей химических реакций.

     В жидких   средах   при    воздействии    высокоинтенсивного ультразвука   наблюдается   явление,  которое  получило  название кавитации (от латинского слова  cavum - полость).  В  этом случае образуются     полости,     заполненные    насыщенным       паром жидкости.

Образование полостей  объясняется  следующим механизмом.В объеме жидкости,  через который проходит ультразвуковая волна,  давление изменяется с течением времени по синусоидальному закону.  В  один из  полупериодов  давление  положительное  и возникающие при этом механические силы стремятся сблизить молекулы жидкой среды.  В следующий полупериод,  когда давление  становится отрицательным, механические   силы   стремятся  увеличить  расстояние   между молекулами. Если эти силы превосходят  силы межмолекулярного притяжения, возникает  "разрыв"  жидкости  и  формируется  газовая полость.  При кавитации  в жидких средах возникают очень большие   механические напряжения,  способные  разрушать  любые  материальные  тела.  На этом  эффекте  основана  стерилизация  жидких  сред  в результате кавитационного разрушения микроорганизмов.  

                ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ

     В медицинской    практике    ультразвук   используется   для диагностики патологических состояний, терапевтического и хирургического  лечения.  Лечебное   действие   ультразвука  основано на термическом  эффекте,  формировании   конвекционных   потоков   и способности  создавать  радиационное  давление.  При относительно низких  интенсивностях  ультразвуковой  волны  в  мягких   тканях организма, содержащих достаточное количество растворов, возникают конвекцонные потоки ,  которые перемешивают  молекулы  химических соединений и ускоряют химические реакции и, следовательно,  биологические процессы. Этому же явлению способствует и ультразвуковое нагревание ткани.

     На основании радиационного  давления  ультразвука  в  жидких средах   разработан  метод  лечения  -  фонофорез.  Эта  лечебная процедура заключается в том, что с помощью радиационного давления в организм без повреждения его поверхности  вводят  лекарственные    вещества.   Для   проведения    фонофореза   На поверхность  организма  наносят  слой раствора 2,  содержащий молекулы 3  лекарственного  вещества и устанавливают  ультразвуковой излучатель 1. При подаче  переменного электрического напряжения U возникает  ультразвуковое  излучение,  которое  создает  в растворе радиационное давление. Поэтому на молекулы действуют силы F, которые заставляют их перемещаться в ткань.  Скорость введения лекарственного вещества зависит от интенсивности ультразвука (величины давления и силы F), а также от сопротивления ткани  движению молекул.  С  помощью фонофореза удается вводить лекарственные вещества в поверхностно расположенные патологические очаги.  Наиболее перспективно применение фонофореза в стоматологии, поскольку слизистая полости рта оказывает значительно  меньшее сопротивление перемещению молекул, чем кожа.

     Особенно широкое применение ультразвук нашел для диагностики патологических состояний.  Этот метод основан на физических механизмах взаимодействия ультразвукового излучения с  тканями  организма.

                                    ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЭХО-ЛОКАЦИИ

     Эхо-локация - ультразвуковой метод диагностики  патологических состояний, основан на отражении ультразвуковой волны от тканей и органов человека. На рисунке 63 изображена схема,  иллюстрирующая использование этого метода. На  поверхность  тела  устанавливается пьзокерамический элемент ПК, способный на основе обратного пьезоэффекта генерировать ультразвуковые колебания и преобразовывать ультразвуковые волны при помощи  прямого пьезоэффекта. Пьезокристалл  может  подключаться к генератору Г ₁ высокочастотного электрического напряжения  или  к  электронному усилителю У с помощью переключателя П. Когда излучается ультразвук от  генератора   Г ₁ в течение времени   t₁ подается  импульс высокочастотного напряжения и через поверхность  организма  поступает импульс ультразвукового излучения с    интенсивностью  Io.  В  течение   времени  t₂  пьезокристалл   подключен  к электронному усилителю. Ультразвуковой импульс, распространяясь в организме, достигает границы раздела  между  средами  имеющими  различные     механические импедансы  Z ₁  и  Z₂. Чем  сильнее  отличаются    эти  импедансы,  тем  больше   отражается энергии I₁. Отраженный импульс достигает пьезокристалла, преобразуется в переменное электрическое  напряжение и  после усиления поступает на вертикальные  пластины  электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). На горизонтальные  пластины подается от генератора  Г₂  пилообразное напряжение U₂, обеспечивающее равномерное движение электронного луча по горизонтали. Начало движения луча совпадает с моментом  излучения ультразвукового  импульса.  Когда отраженный импульс достигает ПК на ЭЛТ возникает  импульс через время t₁. Следовательно, за время t₁ ультразвуковой импульс достигает границы раздела с органом   и возвращается обратно, проходя путь, равный 2l₁,  где l₁ - расстояние от поверхности тела до органа. Зная время  t₁,  можно  определить это  расстояние до  органа: l₁  = C t ₁ / 2, где  С - скорость распространения ультразвука в организме. При достижении   ультразвука второй границы раздела  происходит отражение в направлении ПК ЭЛТ и через время t₂ возникает второй  электрический  импульс. За это время ультразвуковая волна прошла расстояние 2l₂.  Тогда расстояние до второй границы раздела:

                                                                    l₂ = С t₂ /2.

Зная расстояния l₁ и l₂,можно определить толщину органа: d = l₂ -  l₁ = C(t₂ - t₁ )/2. Таким образом, измеряя с помощью электронного осцилографа время прихода  отраженных  импульсов, можно  получить очень ценную  диагностическую информацию о морфологии  (размерах) внутренних органов.  Если внутри органа  находятся патологические очаги,  механические импедансы  которых  отличаются от импеданса    ткани,  то на ЭЛТ появляются    дополнительные электрические   импульсы .  Регистрируя    время   их  появления,   можно определить размеры патологического очага  и   его   расположение  внутри органа.   Особенно  эффективна    эхо-локация для обнаружения камней в почках и печени.

       В ходе  совершенствования    метода  ультразвуковой  эхо-локации были разработаны более  совершенные  диагностические аппараты, позволяющие не только регистрировать отраженные  электрические  импульсы, но и получать изображение внутренних  органов  и  тканей. Необходимо подчеркнуть, что ультразвуковая диагностика значительно безопасней чем рентгенодиагностика.  И  поэтому  она  получила достаточно  широкое  распространение  особенно  в акушерстве  для исследования морфологических особенностей плода.