УЛЬТРАЗВУК

УЛЬТРАЗВУК.
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1.Излучатели и приемники ультразвука.
2.Свойства УЗ-волны и особенности ее распространения.
2.1. Отражение и преломление УЗ-волн.
2.2. Поглощение УЗ-волн веществом.
3. Действие УЗ на вещество и на ткани организма.
Биологические эффекты при действии ультразвука.
4. Методы диагностики и методы лечения.
1.Излучатели и приемники ультразвука.
Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более
20 кГЦ. Верхний предел ультразвуковых частот условно считают равным 109 1010 Гц. Этот предел
определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния
вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна. Источником ультразвука могут
быть как естественные явления, так и искусственные установки - генераторы ультразвука.
Естественными источниками УЗ являются животные, издающие ультразвук
(кузнечики,
саранча, сверчки, летучие мыши, дельфины). Все эти животные воспроизводят УЗ и
воспринимают его специальными рецепторными аппаратами. Например, летучие мыши
издают УЗ с частотой 70-80кГц. Издаваемые ими колебания отражаются от окружающих
предметов и воспринимаются специальными механорецепторами как своеобразные
сигналы о лежащих на пути препятствиях. С помощью своего ультразвукового локатора
летучие мыши очень точно ориентируются в полете. Ультразвук воспринимают не только
летучие мыши и некоторые насекомые, но и дельфины, киты, кошки, собаки, грызуны,
лягушки. Их слуховой аппарат настроен на более широкий диапазон звуковых колебаний. В
приведенной ниже таблице даны верхние границы частот, воспринимаемых некоторыми
животными и насекомыми.
Верхняя граница частот (в кГц), воспринимаемых органом слуха:
чайки
8
кузнечик
100
лягушки
30
летучие мыши
150
собаки
60
бабочки
160
кошки
100
дельфины
200
Источником ультразвука может быть и неживая природа: шум ветра, водопады,
морской прибой. Ультразвук возникает также при работе ракетных двигателей, некоторых
двигателей и станков.
В технике ультразвук получают с помощью устройств, называемые УЗ-излучателями
(генераторы УЗ). Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели,
основанные на явлениях магнитострикционного эффекта и обратного пьезоэлектрического
эффекта.
Магнитострикционные излучатели применяются для генерирования низкочастотных
ультразвуков
(до
80
кГц).
Явление
магнитострикции
заключается
в
механической
деформации стержня или трубки из ферромагнитного материала, помещенного в
переменное магнитное поле параллельно направлению силовых линий. Под воздействием
переменного магнитного поля происходит растяжение и сжатие стержня, что приводит к
образованию УЗ-волн низких частот. Если стержень первоначально не был намагничен, то он
будет колебаться с удвоенной частотой. Если периоды собственных колебаний стержня и
магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальна (явление
резонанса), а так как колебания стержня продольные, то ультразвуковая волна будет
исходить из концов стержня. Наиболее часто применяют стержни из никеля, дающие
хороший магнитострикционный эффект. Основной частью та кого излучателя является
стержень из ферромагнитного материала, помещенного в соленоид, который соединен с
источником переменного тока.
Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвуков с
частотами до 50 МГц.
Явление обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в механической
деформации некоторых материалов (кристаллы кварца и турмалина, сегнетова соль,
фосфорнокислый аммоний, керамический материал на основе титаната бария) под
действием переменного электрического поля. Если к определенным плоскостям кристалла
подвести переменное электрическое поле, то кристалл сжимается или растягивается в
зависимости от полярности электрического поля. Основной частью такого излучателя является
пластинка или стержень из пьезоэлектрического материала. На поверхность пластины в виде
проводящих слоев нанесены электроды. При действии переменного электрического поля
пластина вибрирует, излучая механическую
волну соответствующей частоты. Наибольшая
интенсивность УЗ-волны наблюдается при выполнении условия резонанса.
Для
регистрации
и
анализа
ультразвуков
применяются
пьезоэлектрические
и
магнитострикционные датчики - приёмники ультразвука.
В пьезоэлектрическом датчике используется прямой пьезоэлектрический эффект.
Прямой пьезоэффект состоит в том, что при механической деформации указанных выше
кристаллов в определенных направлениях на их границах появляются электрические заряды
противоположных знаков, что приводит к генерации электрического поля. Это явление
обусловлено деформацией элементарных кристаллических ячеек и сдвигом подрешеток
относительно друг друга при механическим воздействии на кристалл. В пьезодатчиках под
действием регистрируемых ультразвуковых волн в пластинке возникают вынужденные
механические колебания (переменная деформация), которые и приводят к генерации
переменного электрического поля, соответствующее электрическое напряжение может быть
измерено.
Магнитострикционные датчики основаны на явлении изменения индукции магнитного поля
ферромагнитного стрежня при его механической деформации. Переменная деформация
ферромагнитного стержня, на торец которого действует ультразвуковая волна, вызывает
возникновение переменной электродвижущей силы электромагнитной индукции в обмотке
катушки, надетой на сердечник.
2. Свойства УЗ-волны и особенности ее распространения.
УЗ-волна,
подобно
звуковой,
состоит
из
чередующихся
участков
сгущения
и
разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ-волны зависит от свойств среды. В
воздухе составляет примерно 343,1 м/с, а в жидких средах 1500 м/с при температуре среды
200С.
Скорость
звуковых
волн
зависит
от
температуры
среды,
в
которой
они
распространяются.
Длина волны  зависит от частоты v, при увеличении частоты длина волны убывает,
поэтому длина УЗ-волны значительно меньше чем звуковой волны, воспринимаемых
человеческим ухом.
 = c/v
Например, в воде длины волн равны 1.4 м при частоте 1 кГц и 1,4мм при частоте 1 Мгц.
В
средах
соизмеримы
с
с
резко
длина
выраженными
волны)
неоднородностями
наблюдаются
отклонение
(размеры
волны
от
препятствий
прямолинейного
распространения (явление дифракции). Если размеры препятствия больше длины волны, то
за преградой образуется "УЗ-тень". Если же размеры препятствий меньше чем длина волны,
то дифракционные явления выражены слабо и их можно не учитывать, следовательно УЗ-лучи
распространяются направленным потоком и легко фокусируются.
Следовательно, вследствие малости длины ультразвуковой волны по сравнению с
звуковых волнами в слышимом области, ультразвуки, подобно свету, могут излучаться в виде
узких направленных пучков и на границе раздела двух сред их отражение и преломление
происходит по законам геометрической оптики.
2.1. Отражение и преломление УЗ-волны на границе раздела двух сред.
Отражение УЗ на границе раздела сред зависит от соотношения волнового
сопротивления сред.
Волновое сопротивление является характеристикой среды, определяющей условие
отражения и преломления волн на границе сред. Волновое сопротивление среды равно
произведению плотности среды -p и скорости распространения УЗ-волны -С.
Z=pС
Представим себе, что УЗ-волна падает нормально на границу раздела сред. Интенсивность
падающей волны - I1, интенсивность преломленной волны – I2. Отношение I2/ I1=  называют
коэффициент проникновения звуковой волны.
Коэффициентом проникновения звуковой волны называют величину равную отношению
интенсивности преломленной волны к интенсивности падающей
волны. Рэлей показал, что:
 = (4c1p1/c2p2)/{ c1p1/c2p2+1}2
Из этой формулы видно, что если c1p1=c2p2, то коэффициент проникновения максимален и
равен 1. В этом случае УЗ волны проходят во вторую среду без отражения. Если c1p1<<c2p2, то
c1p1/c2p2<<1 и коэффициент проникновения  рассчитывается по формуле:  = (4c1p1/c2p2).
В этом случае проникновение будет незначительное, а отражение УЗ-волны максимальное.
Например, коэффициент проникновения на границе воздух-кожа составляет 0.08%. Если
волновые сопротивления сред соизмеримы, то часть волнового потока отражается, а часть
его проходит во вторую среду. В этом случае коэффициент проникновения рассчитывается
по формуле Релея. Например, на границе глицерин-кожа коэффициент проникновения
составляет 99,3%, а доля отраженной волны составляет 0.7%. Следовательно, если УЗизлучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникает внутрь, т.к. практически
полностью отражается от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. При
использовании
водного
желе,
которым
покрывают
поверхность
кожи,
интенсивность
преломленной (проникающей) волны наибольшая.
УЗ-волны обладают высокой отражательной способность на границе мышца-надкостницакость, на поверхности полых органов.
2.2 Поглощение УЗ-волн.
Поглощение и распространение УЗ-волн зависит как от свойств среды (плотности,
вязкости, температуры) среды, так и от интенсивности и частоты ультразвука. Интенсивность
ультразвуковых волн, применяемых в медицине, подразделяется на три области: малая- (0,05 1,5) Вт/см2, средняя - (1,5 - 3) Вт/см2, большая - (3 - 10) Вт/см2. При заданной частоте
интенсивность ультразвука убывает по экспоненциальному закону:
I=Ioe-kh
I - интенсивность УЗ-волны на глубине проникновения h,
I0 - интенсивность УЗ-волны у поверхности вещества,
k - коэффициент поглощения, который зависит от плотности и вязкости среды, а также от
частоты УЗ-волны. При уменьшении интенсивности проходящей ультразвуковой волны в "е" раз
(2,7) показатель степени kh=1, следовательно K=1/h [k]=м-1. Коэффициент поглощения
обратно пропорционален глубине проникновения ультразвуковой волны, на которой ее
интенсивность убывает в "е" раз.
Известно, что чем больше частота волны, тем меньше глубина еепроникновение
(зависимость между глубиной и частотой обратно пропорциональная). Так ультразвук от 1600
до 2600 кГц проникает на глубину 1 сантиметр, а от 800 - 900 кГц проникает на глубину 4-5
сантиметров.
В медицинских исследованиях для определения интенсивности ультразвуковой волны в
веществе на заданной глубине широко используется другая формула:
I=Io2-kh
В этой формуле вместо коэффициента поглощения вводится физическая величина глубина полупоглощения H. Глубина полупоглощения - это глубина, на которой интенсивность
УЗ-волны уменьшается вдвое. В ниже приведенной таблице представлены значения
коэффициента поглощения - k и H - глубина полупоглощения на различных частотах для
различных тканей.
Ткань
f (МГц)
k(cм 5-1 0)
H (см)
Вода
1
0,001
350
2
0,004
90
Плазма
0,87
0,02
17
крови
1,7
0,04
8,7
Кровь
1
0,01
17
Хрящ
3
1,45
0,24
5
2,2
0,16
3
0,85
0,41
5
1,05
0,33
0,88
0,71
0,5
2,64
6,3
0,055
4,5
9,2
0,038
Кожа
Кость
Из представленных экспериментальных данных видно, что глубина проникновения зависит от
частоты УЗ-волны и вида ткани. Чем больше частота УЗ-волны, тем меньше глубина
проникновения
и больше коэффициент
поглощения. Поглощение
в
жидкой
среде
значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более костной ткани.
3. Действие УЗ на вещество и на ткани организма.
При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия:
механическое, тепловое и химическое.
а. механическое действие.
Действие УЗ на вещество связано в первую очередь с деформациями, которые
происходят в результате поочередного сгущения и разряжения частиц среды, вызываемого
ультразвуковыми волнами. При вынужденном колебательном движении частицы создают
переменное давление в среде. В жидких средах при действии ультразвука амплитуда
переменного
давления
изменяется
в
зависимости
от
плотности
среды,
скорости
распространения УЗ-волн и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения
(пониженное
давление)
микрополости
жидкость
может
(каверны), заполненные
разорваться
и
в
ней
парами жидкости. Это
могут
образоваться
явление
образования
микрополостей называется кавитацией.
Растяжение, которое могут выдержать жидкости зависит от примесей в них (наличие
газов и газовых пузырьков). При образовании каверн плотность жидкости понижается, а
скорость колебательного движения частиц увеличивается. Таким образом УЗ-волны оказывает
механическое действие, в основе которого лежит действие переменного давления,
создающего кавитацию.
б. тепловое действие.
Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука,
существуют короткое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь
на протяжении полупериода колебаний, затем сменяется повышенным давлением, что
приводит к быстрому захлопыванию микрополостей. В результате увеличения колебательного
движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших объемах выделяется
большая тепловая энергия, что приводит к повышению температуры среды. Следовательно,
ультразвук оказывает тепловое действие. Тепловой эффект ультразвука зависит от его
интенсивности и длительности.
в. химическое действие.
При захлопывании каверн молекулы среды движутся с большой скоростью и
испытывают
взаимное
трение,
вследствие
чего
молекулы
могут
возбуждаться
и
ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей. Это в свою очередь приводит
к образованию ионов и радикалов. Например, в биологическом объекте молекула воды
расщепляется на водород и гидроксильную группу, образуются радикалы водорода и
гидроксильной группы. Ионы и радикалы вступают во взаимодействие с белками, ли
пидами и нуклеиновыми кислотами, что может привести к пространственной перестройкой
внутриклеточных молекулярных компонентов. Таким образом, при кавитации образуются
реакционноспособные вещества, которые вступают во взаимодействие с молекулами,
следовательно УЗ оказывает химическое действие. Проявляется химическое действие не
сразу после облучения, а по истечению некоторого времени.
4. Биологические эффекты, вызываемые ультразвуковыми волнами
В
зависимости
от
интенсивности,
частоты,
длительности
УЗ
вызывает
разные
биологические эффекты. При низкой интенсивности и длительности облучения УЗ вызывает
чаще положительный эффект, при большой интенсивности и длительности - отрицательный.
Физические процессы,обусловленные УЗ, вызывают в биологических объектах следующие
эффекты:
1. При облучении малой интенсивности происходит микровибрация на клеточном и
субклеточном уровне. При интенсивности не более 1 Вт/см 2 усиливается движение цитозоли,
активизируются транспортные процессы в цитоплазматических и клеточной мембранах, что
приводит к
увеличению роницаемости клеточной мембраны, улучшаются процессы
тканевого обмена, таким образом вызывается положительный эффект.
2. При средней интенсивности (менее 10 Вт/см2) переменное ультразвуковое давление
может привести к разрушению биомакромолекул и их перестройке и повреждению.
3. При интенсивностях более 10 Вт/см2 и длительном облучении происходят необратимые
морфологические
и
функциональные
изменения
-
наблюдается
отрицательный
биологический эффект. Необратимое повреждение начинается чаще всего в ядрах клеток и
выражается в патологических деформациях, скручиваниях, разрывах, что приводит к
разрушение клеток и гомогенизации ткани.
4. При длительном действии УЗ с частотой 30 кГц в производственных условиях наблюдается
утомляемость,
сонливость,
головокружение,
расстройство
нервной
системы.
Это
объясняется способностью УЗ вызывать двухфазные изменения возбудимости: сначала
повышение в области воздействия ультразвука, а затем понижение.
5. Методы диагностики и методы лечения.
Ультразвуковая диагностика.
Скорость распространения, отражение и поглощения УЗ-волн различны в разных
тканях, используя этот факт органы делают видимыми. Исследование структуры внутри живых
организмов,основанное на явлении отражения и характера распространения УЗ в средах,
носят общее название -эхо-методы:
1. эхоэнцефалография (опухоли и отеки мозга);
2.
эхокардиография
(измерение
размеров
сердца
в
динамике),
доплеровская
эхокардиография (определение работы сердечных клапанов);
3. ультразвуковая визуализация мягкой ткани (ультрасонограммы желудка, грудной железы,
сердца, костей, мышц, печени). Этот метод диагностики представляет особый интерес, так
как почти все компоненты мягких тканей имеют одинаковую плотность для рентгеновских
лучей и неотличимы друг от друга.
4. УЗ-локация в офтальмологии для определения глазных сред.
5. УЗ-сканирование -исследование развития плода.
Ультразвук используют также для определения скорости кровотока (ультразвуковая
расходометрия) , для введения лекарственных веществ (фонофорез), так как при действии
УЗ повышается проницаемость кожи и слизистых оболочек.
Ультразвуковая терапия
Высокочастотный УЗ (более 800 кГц) распространяется в средах почти прямолинейно,
что позволяет оказывать тепловое (при больших дозах и непрерывной подаче), механическое
и химическое действие (при малых дозах импульсными сигналами) на ограниченные
участки. УЗ проникает на глубину от 1 до 5-6 см, что позволяет его использовать для лечения
различных органов: в большей степени УЗ поглощается мышцами, от костей отражается 4060% падающей энергии. Для уменьшения отражения УЗ на границе раздела воздух-ткань при
терапии используют различные пасты из вазелина и ланолина, водное желе или просто воду.
УЗ малой интенсивности (1,5 Вт/см2) - способствует активизации внутриклеточных
процессов в тканях (биосинтез белка, образование биологически активных веществ,
усиление активности ферментов и т.д.). Терапевтические дозы оказывают болеутоляющее
действие,
сосудорасширяющее,
рассасывающее,
стимулирующее
восстановление
поврежденных органов и тканей. Малыми дозами осуществляют массаж сердца, легких,
мышечных тканей как гладких так и скелетных.
УЗ больших интенсивностей (3-10 Вт/см2) используют для:
1. дробления камней в мочевых путях;
2. в качестве УЗ-скальпеля в хирургии (улучшает свертываемость крови,
оказывает обезболивающий эффект, убивает микроорганизмы и их споры [стерилизация
ран])
3. ультразвуковая "сварка" костей при переломах - остесинтез.
"Сварка" прочно связывает фрагменты при этом не нарушает
естественных
процессов регенерации кости, "сварку" используют для заполнения костных дефектов, для
"наваривания" суставных концов и другое.
ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА РЕКОМЕНДУЕТСЯ ВЫПОЛНЕНИЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ЗАДАНИЙ.
ЗАДАНИЕ 1.
Ответьте на следующие вопросы.
1. Природа ультразвука. Нижняя и верхняя частотная граница ультразвука.
2. Приведите примеры естественных источников и приемников ультразвука.
3. Принцип работы электромеханических излучателей и приемников ульразвука. Явление
прямого
и
обратного
пьезоэффекта.
Пьезоизлучатели
и
магнитострикции. Магнитострикционные излучатели и приемники.
4.Свойства УЗ-волны и особенности ее распространения.
пьезодатчики.
Явление
4.1. Скорость ультразвука в различных средах. Длина ультразвуковой волны. Особенности
распространения ультразвука в среде.
4.2. Распространение ультразвука на границе раздела двух сред. Волновое сопротивление.
Коэффициент проникновения. Отражение и преломление ультразвуковых волн.
4.3.
Поглощение
УЗ-волн
веществом.
Зависимость
интенсивности
УЗ
от
глубины
проникновения (формула). Глубина полупоглощения и ее зависимость от интенсивности и
частоты.
5. Действие УЗ на вещество и на ткани организма.
6. Биологические эффекты при действии ультразвука в зависимости от интенсивности
ультразвуковой волны.
7. Методы диагностики и методы лечения.
ЗАДАНИЕ 2.
Решите следующие задачи.
ЗАДАЧА 1. Определите длину волны звука в слышимой области на частоте 1.5 кГц,
распространяющуюся в воде со скоростью 1483 м/с и в воздухе со скоростью 343,1 м/с (при
температуре 200С). Определите в какой среде длина волны звука больше? Зависит
ли скорость распространения звуковой волны от ее частоты?
ЗАДАЧА 2. Определите длину ультразвуковой волны. распространяющуюся с частотой 1.5 МГц
в воде скоростью 1483 м/с и воздухе со скоростью 343,1 м/с (при температуре 200С). Как
меняется длина волны с увеличением скорости распространения звуковой волны? На основе
полученных результатов задач 1 и 2 определите как зависит длина звуковой волны от частоты
колебания частиц среды?
ЗАДАЧА 3. Определите коэффициент проникновения на границе раздела воздух - кожа.
Скорость распространения УЗ-волны в воздухе равна 343,1м/с, в коже - 1610 м/с, плотность
воздуха - 1,205 кг/м3, плотность кожи - 1250 кг/м3.
ЗАДАЧА 4. Определите коэффициент проникновения на границе раздела жидкость - кожа.
Скорость распространения УЗ-волны в жидкости (глицерин) равна 1923 м/с, в коже - 1610
м/с, плотность
глицерина
-
1260
кг/м3,
плотность
кожи
-
1250
кг/м3. Зачем
при
диагностических УЗ-методах поверхность кожи пациента покрывают водным желе или
вазелином?
ЗАДАЧА 5. Определите звуковое давление в крови при распространении ультразвуковой
волны с частотой 1 Мгц и интенсивностью 10 Вт/см2. Скорость распространения УЗ-волны в
крови 1590 м/с, плотность крови p=1050 кг/м3.
ЗАДАЧА 6. Определите амплитуду, скорость и ускорение колеблющихся частиц жидкой
среды (кровь) под действием УЗ-волны интенсивностью 10 Вт/см2 и частотой 1 МГц. Плотность
крови 7 p=1050 кг/м3. Сравните ускорение колеблющихся частиц крови с ускорением
свободного падения. Сделайте вывод о средней кинетической энергии частиц среды.