Особенности распространения УЗ-волны.
По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения части среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330м/с, в жидкости – 1500 м/с. Однако существуют особенности. А. Малая длина волны. Направленность.
Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ = v/υ, найдем: для звука с частотой υ =1 кГц длина волны
λзв = (1500 м/с)/1000 Гц = 1,5 м; для ультразвука с частотой υ = 1 МГц длина волны λуз = (1500м/с)/1000000 Гц = 1,5.10-3 м = 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, вследствие дифракции (огибания) звука, а для УЗ волны с длиной λ = 1,5 мм будет серьезным препятствием. При этом возникает УЗ-тень. Поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и преломления геометрической (лучевой оптики). То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком (прямолинейно), к которому применимы законы геометрической оптики.
Б. Поглощение.
При прохождении УЗ через вещество происходит его ослабление вследствие поглощения:
I = I0 e –kℓ, где
I – интенсивность УЗ волны, прошедшей расстояние ℓ в среде;
I0 – начальная интенсивность; k – коэффициент поглощения ультразвука в среде.
Поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костных тканях.
В. Преломление и отражение.
При прохождении УЗ через границу раздела сред с различными волновыми сопротивлениями происходит его преломление и отражение. Преломление состоит в изменении направления ультразвукового луча.
Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха (x = 1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если УЗ-излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы увеличить интенсивность УЗ-волны, прошедшей в ткани организма человека необходимо исключить воздушный слой, Для этого между излучателем и кожей помещают слой соответствующей смазки (вазелин, гель и т. д.), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.
Действие ультразвука на вещество.
Комплексное действие УЗ на вещество основано на свойствах распространения УЗ в веществах. Различают: механические, тепловые, химические действия. Эффективность этих действий зависит от частоты и интенсивности УЗ.
А. Механическое действие.
При распространении УЗ волны в зоне ее действия в веществе развиваются деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением его частиц. Эти деформации могут вызывать либо незначительные изменения структуры, либо ее разрушение. Это используют при измельчении или диспергировании сред.
При распространении УЗ в жидкости в области разряжения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву сплошности среды в данном месте и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости. Это явление называется кавитацией.
Б. Тепловое действие.
Поглощение УЗ веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию.
Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границам раздела сред с различными волновыми сопротивлениями.
В. Химическое действие.
Под действием УЗ в веществе могут происходить изменения в окислительно-восстановительных реакциях. При этом могут протекать даже такие реакции, которые в обычных условиях неосуществимы.
Использование УЗ в медицине.
А. УЗ-терапия.
Терапевтическое действие УЗ основано на механическом, тепловом, химическом действии. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.
Фонофорез – введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, в отличие от электрического поля, УЗ поле перемещает не только ионы, но и незаряженные частицы. Под действием УЗ увеличивается проницаемость клеточных мембран, что способствует проникновению лекарственных веществ в клетку, тогда как при электрофорезе лекарственные вещества концентрируются в основном между клетками.
Б. УЗ-хирургия.
Механическое и тепловое действие УЗ используются в хирургии. При этом различают несколько методов.
Сваривание мягких тканей. Если сложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения УЗ соответствующей мощности образуется сварной шов.
Сваривание костей (ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с полимером (циакрин), которые под действием УЗ быстро полимеризуются, образуя прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.
Стерилизация. Губительное действие УЗ на микроорганизмы используется для стерилизации.
УЗ-скальпель. УЗ может рассекать ткани, для чего хирургические инструменты (скальпели, иглы, пилки) соединяют с источником ультразвуковых колебаний. Преимущества метода: уменьшение болевого ощущения, кровоостанавливающий и стерилизующий эффекты.
В. УЗ диагностика.
На явлении отражения ультразвука от границы раздела сред основаны эхолокация – метод локализации неоднородностей в средах.
Источник ультразвука (рис.6) посылает ультразвуковой сигнал в
Источник и приемник Картина на экране эхолокатора
ультразвука
Рис.6.
импульсном режиме. В паузе источник «ожидает» прихода отраженной волны. На экране локатора практически представлена зависимость электрического напряжения, соответствующего посланному и зарегистрированному после отражения ультразвуковому сигналу. Зная интервал времени ∆t между импульсом посылки и отраженным импульсом и скорость волны, можно найти расстояние от источника до границы отражения.
По интенсивности отраженной волны можно судить на границе каких сред произошло отражение.
Теневой метод диагностики основан на поглощении ультразвука средой, в которой он распространяется. Излучатель и приемник помещают по разные стороны объекта исследования и синхронно их перемещают. Изменение интенсивности прошедшей волны свидетельствует о наличии неоднородностей в исследуемой среде.