Въпреки факта, че изследването на ултразвуковите вълни е започнало преди повече от сто години, едва през последния половин век те са станали широко използвани в различни области на човешката дейност. Това се дължи на активното развитие както на квантовата, така и на нелинейната част на акустиката, квантовата електроника и физиката на твърдото тяло. Днес ултразвукът не е просто обозначение на високочестотната област на акустичните вълни, а цяло научно направление в съвременната физика и биология, което е свързано с промишлени, информационни и измервателни технологии, както и с диагностични, хирургични и терапевтични методи на съвременна медицина.
Какво е това?
Всички звукови вълни могат да се разделят на тези, които са чути за човека - това са честоти от 16 до 18 хиляди Hz, и такива, които са извън обхвата на човешкото възприятие - инфрачервени и ултразвукови. Под инфразвук се разбират вълни, подобни на звука, но с честоти, по-ниски от тези, които се възприемат от човешкото ухо. Горната граница на инфразвуковата област е 16 Hz, а долната граница е 0,001 Hz.
Ултразвук- това също са звукови вълни, но само тяхната честота е по-висока, отколкото може да възприеме човешкият слухов апарат. Като правило те означават честоти от 20 до 106 kHz. Горната им граница зависи от средата, в която се разпространяват тези вълни. И така, в газообразна среда границата е 106 kHz, а в твърди тела и течности достига 1010 kHz. Има ултразвукови компоненти в шума от дъжд, вятър или водопади, мълнии и шумоленето на камъчета, търкаляни от морската вълна. Благодарение на способността да възприемат и анализират ултразвукови вълни, китовете и делфините, прилепите и нощните насекоми се ориентират в пространството.
Малко история
Първите изследвания на ултразвука (САЩ) са проведени в началото на 19-ти век от френския учен Ф. Савар, който се опитва да открие горната честотна граница на чуваемост на човешкия слухов апарат. В бъдеще такива известни учени като германеца В. Вин, англичанина Ф. Галтън, руснака П. Лебедев и група студенти се занимават с изследване на ултразвуковите вълни.
През 1916 г. френският физик П. Ланжевен, в сътрудничество с руския учен емигрант Константин Шиловски, успява да използва кварц за приемане и излъчване на ултразвук за морски измервания и откриване на подводни обекти, което позволява на изследователите да създадат първия сонар, състоящ се от предавател и приемник на ултразвук.
През 1925 г. американецът У. Пиърс създава устройство, днес наречено интерферометър на Пиърс, което измерва скорости и абсорбция с голяма точностултразвук в течна и газова среда. През 1928 г. съветският учен С. Соколов е първият, който използва ултразвукови вълни за откриване на различни дефекти в твърди тела, включително метални.
През следвоенните 50-60-те години, въз основа на теоретичните разработки на екип от съветски учени, ръководен от Л. Д. Розенберг, ултразвукът започва да се използва широко в различни индустриални и технологични области. В същото време, благодарение на работата на британски и американски учени, както и изследванията на съветски изследователи като R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov и много други, такава научна дисциплина като нелинейната акустика се развива бързо.
Приблизително по същото време бяха направени първите американски опити за използване на ултразвук в медицината.
Съветският учен Соколов в края на четиридесетте години на миналия век разработва теоретично описание на инструмент, предназначен да визуализира непрозрачни обекти - "ултразвуков" микроскоп. Въз основа на тези произведения в средата на 70-те години експерти от Станфордския университет създадоха прототип на сканиращ акустичен микроскоп.
Функции
Имайки обща природа, вълните от звуковия обхват, както и ултразвуковите вълни, се подчиняват на физическите закони. Но ултразвукът има редица характеристики, които му позволяват да се използва широко в различни области на науката, медицината и технологиите:
1. Малка дължина на вълната. За най-ниския ултразвуков обхват той не надвишава няколко сантиметра, което причинява лъчевата природа на разпространението на сигнала. В същото време вълнатафокусирани и разпространени от линейни лъчи.
2. Незначителен период на трептене, поради който ултразвукът може да се излъчва на импулси.
3. В различни среди ултразвуковите вибрации с дължина на вълната не повече от 10 mm имат свойства, подобни на светлинните лъчи, което прави възможно фокусирането на вибрациите, образуването на насочено излъчване, тоест не само изпраща енергия в правилната посока, но и я концентрира в необходим обем.
4. С малка амплитуда е възможно да се получат високи стойности на вибрационната енергия, което прави възможно създаването на високоенергийни ултразвукови полета и лъчи без използване на голямо оборудване.
5. Под въздействието на ултразвука върху околната среда има много специфични физически, биологични, химически и медицински ефекти, като:
- дисперсия;
- кавитация;
- дегазиране;
- локално отопление;
- дезинфекция и още. други
Прегледи
Всички ултразвукови честоти са разделени на три типа:
- ULF - ниско, с обхват от 20 до 100 kHz;
- MF - среден диапазон - от 0,1 до 10 MHz;
- UZVCh - високочестотен - от 10 до 1000 MHz.
Днес практическото използване на ултразвука е предимно използването на вълни с нисък интензитет за измерване, контрол и изследване на вътрешната структура на различни материали и продукти. Високочестотните се използват за активно въздействие върху различни вещества, което ви позволява да променяте техните свойстваи структура. Диагностиката и лечението на много заболявания с ултразвук (с различни честоти) е отделна и активно развиваща се област на съвременната медицина.
Къде се прилага?
През последните десетилетия не само научните теоретици се интересуват от ултразвука, но и практиците, които все повече го въвеждат в различни видове човешка дейност. Днес ултразвуковите устройства се използват за:
| Получаване на информация за вещества и материали | Събития | Честота в kHz | ||
| от | до | |||
| Изследване на състава и свойствата на веществата | твърди тела | 10 | 106 | |
| течности | 103 | 105 | ||
| газове | 10 | 103 | ||
| Контролни размери и нива | 10 | 103 | ||
| Сонар | 1 | 100 | ||
| Дефектоскопия | 100 | 105 | ||
| Медицинска диагностика | 103 | 105 | ||
|
Въздействие за вещества |
Запояване и покритие | 10 | 100 | |
| Заваряване | 10 | 100 | ||
| Пластмасова деформация | 10 | 100 | ||
| Механична обработка | 10 | 100 | ||
| Емулгиране | 10 | 104 | ||
| Кристализация | 10 | 100 | ||
| Спрей | 10-100 | 103-104 | ||
| Аерозолна коагулация | 1 | 100 | ||
| Дисперсия | 10 | 100 | ||
| Почистване | 10 | 100 | ||
| Химически процеси | 10 | 100 | ||
| Влияние върху горенето | 1 | 100 | ||
| Хирургия | 10 до 100 | 103 до 104 | ||
| Терапия | 103 | 104 | ||
| Обработка и управление на сигнали | Акустоелектронни преобразуватели | 103 | 107 | |
| Филтри | 10 | 105 | ||
| Линии за забавяне | 103 | 107 | ||
| Акустооптични устройства | 100 | 105 | ||
В днешния свят ултразвукът е важен технологичен инструмент в индустрии като:
- металургична;
- химически;
- селскостопански;
- текстил;
- храна;
- фармакологично;
- производство на машини и инструменти;
- нефтохимикали, рафиниране и други.
В допълнение, ултразвукът все повече се използва в медицината. Това е, за което ще говорим в следващия раздел.
Медицинска употреба
В съвременната практическа медицина има три основни области на използване на ултразвука с различни честоти:
1. Диагностика.
2. Терапевтично.
3. Хирургически.
Нека разгледаме по-отблизо всяка от тези три области.
Диагностика
Един от най-модерните и информативни методи за медицинска диагностика е ултразвукът. Неговите безспорни предимства са: минимално въздействие върху човешките тъкани и високо информационно съдържание.
Както вече споменахме, ултразвукът е звукови вълни,разпространяващи се в хомогенна среда по права линия и с постоянна скорост. Ако по пътя им има области с различна акустична плътност, тогава част от трептенията се отразяват, а другата част се пречупва, като продължава своето праволинейно движение. По този начин, колкото по-голяма е разликата в плътността на граничната среда, толкова повече ултразвукови вибрации се отразяват. Съвременните методи за ултразвуково изследване могат да бъдат разделени на локални и полупрозрачни.
Ултразвуково местоположение
В процеса на такова изследване се записват импулси, отразени от границите на среда с различна акустична плътност. С помощта на подвижен сензор можете да зададете размера, местоположението и формата на изследвания обект.
Прозрачен
Този метод се основава на факта, че различните тъкани на човешкото тяло поглъщат ултразвука по различен начин. По време на изследването на всеки вътрешен орган към него се насочва вълна с определен интензитет, след което предаваният сигнал се записва от обратната страна със специален сензор. Картината на сканирания обект се възпроизвежда въз основа на промяната в интензитета на сигнала на "вход" и "изход". Получената информация се обработва и преобразува от компютър под формата на ехограма (крива) или сонограма - двуизмерно изображение.
Доплеров метод
Това е най-активно развиващият се диагностичен метод, който използва както импулсен, така и непрекъснат ултразвук. Доплерографията се използва широко в акушерството, кардиологията и онкологията, тъй като позволявапроследявайте дори най-малките промени в капилярите и малките кръвоносни съдове.
Области на приложение на диагностиката
Днес ултразвуковото изображение и методите за измерване са най-широко използвани в медицински области като:
- акушерство;
- офталмология;
- кардиология;
- неврология на новородени и кърмачета;
- изследване на вътрешни органи:
- ултразвук на бъбреците;
- черен дроб;
- жлъчен мехур и канали;
- женска репродуктивна система;
диагностика на външни и повърхностни органи (щитовидна жлеза и млечни жлези)
Използване в терапия
Основният терапевтичен ефект на ултразвука се дължи на способността му да прониква в човешките тъкани, да ги затопля и затопля и да извършва микромасаж на отделни зони. Ултразвукът може да се използва както за директни, така и за индиректни ефекти върху огнището на болката. Освен това при определени условия тези вълни имат бактерициден, противовъзпалителен, аналгетичен и спазмолитичен ефект. Ултразвукът, използван за терапевтични цели, условно се разделя на вибрации с висока и ниска интензивност.
Вълните с ниска интензивност са най-широко използвани за стимулиране на физиологични реакции или леко, неувреждащо нагряване. Ултразвуковото лечение показва положителни резултати при заболявания като:
- артрит;
- артрит;
- миалгия;
- спондилит;
- невралгия;
- варикозни и трофични язви;
- Анкилозиращ спондилит;
- облитериращ ендартериит.
Провеждат се проучвания, които използват ултразвук за лечение на болестта на Мениер, емфизем, дуоденална и стомашна язва, астма, отосклероза.
Ултразвукова хирургия
Модерната хирургия, използваща ултразвукови вълни, е разделена на две области:
- селективно унищожаване на тъканни зони със специални контролирани високоинтензивни ултразвукови вълни с честоти от 106 до 107 Hz;
- използване на хирургически инструмент с насложени ултразвукови вибрации от 20 до 75 kHz.
Пример за селективна ултразвукова хирургия е раздробяването на камъни чрез ултразвук в бъбреците. В процеса на такава неинвазивна операция ултразвукова вълна действа върху камъка през кожата, тоест извън човешкото тяло.
За съжаление, този хирургичен метод има редица ограничения. Не използвайте ултразвуково раздробяване в следните случаи:
- бременни жени по всяко време;
- ако диаметърът на камъните е повече от два сантиметра;
- за всякакви инфекциозни заболявания;
- при наличие на заболявания, които нарушават нормалното съсирване на кръвта;
- в случай на тежки костни лезии.
Въпреки факта, че отстраняването на камъни в бъбреците чрез ултразвук се извършва без операцияразрези, е доста болезнено и се извършва под обща или локална анестезия.
Хирургическите ултразвукови инструменти се използват не само за по-малко болезнена дисекция на кости и меки тъкани, но и за намаляване на загубата на кръв.
Нека насочим вниманието си към стоматологията. Ултразвукът премахва зъбните камъни по-малко болезнено, а всички останали лекарски манипулации са много по-лесни за понасяне. Освен това в травматологичната и ортопедичната практика ултразвукът се използва за възстановяване на целостта на счупените кости. По време на такива операции пространството между костните фрагменти се запълва със специално съединение, състоящо се от костни стърготини и специална течна пластмаса, след което се излага на ултразвук, поради което всички компоненти са здраво свързани. Тези, които са претърпели хирургични интервенции, по време на които е използван ултразвук, оставят различни отзиви - както положителни, така и отрицателни. Все пак трябва да се отбележи, че все още има повече доволни пациенти!
