Unatoč činjenici da je proučavanje ultrazvučnih valova započelo prije više od stotinu godina, tek posljednjih pola stoljeća oni su se naširoko koristili u različitim područjima ljudske djelatnosti. To je zbog aktivnog razvoja kvantnog i nelinearnog dijela akustike, kvantne elektronike i fizike čvrstog stanja. Danas ultrazvuk nije samo oznaka visokofrekventnog područja akustičnih valova, već cijeli znanstveni pravac u modernoj fizici i biologiji, koji je povezan s industrijskim, informacijskim i mjernim tehnologijama, kao i dijagnostičkim, kirurškim i terapijskim metodama. moderna medicina.
Što je ovo?
Sve zvučne valove možemo podijeliti na one koji su čujni za čovjeka - to su frekvencije od 16 do 18 tisuća Hz, i one koji su izvan opsega ljudske percepcije - infracrvene i ultrazvuk. Pod infrazvukom se podrazumijevaju valovi slični zvuku, ali s frekvencijama nižim od onih koje percipira ljudsko uho. Gornja granica infrazvučnog područja je 16 Hz, a donja granica je 0,001 Hz.
Ultrazvuk- to su također zvučni valovi, ali samo je njihova frekvencija veća od one koju ljudski slušni aparat može percipirati. U pravilu podrazumijevaju frekvencije od 20 do 106 kHz. Njihova gornja granica ovisi o mediju u kojem se ti valovi šire. Dakle, u plinovitom mediju granica je 106 kHz, a u krutim tvarima i tekućinama doseže 1010 kHz. Ultrazvučnih komponenti ima u buci kiše, vjetra ili vodopada, pražnjenju munje i šuštanju kamenčića koje je valjao morski val. Zahvaljujući sposobnosti percepcije i analize ultrazvučnih valova, kitovi i dupini, šišmiši i noćni insekti orijentiraju se u prostoru.
Malo povijesti
Prve studije ultrazvuka (SAD) proveo je početkom 19. stoljeća francuski znanstvenik F. Savart, koji je nastojao otkriti gornju frekvencijsku granicu čujnosti ljudskog slušnog aparata. U budućnosti su se proučavanjem ultrazvučnih valova bavili poznati znanstvenici kao što su Nijemac V. Vin, Englez F. G alton, Rus P. Lebedev i grupa studenata.
Godine 1916., francuski fizičar P. Langevin, u suradnji s ruskim emigrantskim znanstvenikom Konstantinom Šilovskim, uspio je koristiti kvarc za primanje i emitiranje ultrazvuka za morska mjerenja i otkrivanje podvodnih objekata, što je omogućilo istraživačima da stvore prve sonar, koji se sastoji od odašiljača i prijemnika ultrazvuka.
Godine 1925., Amerikanac W. Pierce stvorio je uređaj, danas nazvan Pierceov interferometar, koji mjeri brzine i apsorpciju s velikom točnošćuultrazvuk u tekućim i plinovitim medijima. Godine 1928. sovjetski znanstvenik S. Sokolov prvi je upotrijebio ultrazvučne valove za otkrivanje raznih nedostataka u čvrstim tvarima, uključujući i metalne.
U poslijeratnim 50-60-im godinama, na temelju teoretskog razvoja tima sovjetskih znanstvenika na čelu s L. D. Rozenbergom, ultrazvuk se počeo široko koristiti u različitim industrijskim i tehnološkim područjima. Istovremeno, zahvaljujući radu britanskih i američkih znanstvenika, kao i istraživanjima sovjetskih istraživača kao što su R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov i mnogi drugi, takva znanstvena disciplina kao što je nelinearna akustika brzo se razvija.
Približno u isto vrijeme napravljeni su prvi američki pokušaji korištenja ultrazvuka u medicini.
Sovjetski znanstvenik Sokolov krajem četrdesetih godina prošlog stoljeća razvio je teorijski opis instrumenta dizajniranog za vizualizaciju neprozirnih objekata - "ultrazvučni" mikroskop. Na temelju tih radova, sredinom 70-ih, stručnjaci sa Sveučilišta Stanford stvorili su prototip skenirajućeg akustičnog mikroskopa.
Značajke
Imajući zajedničku prirodu, valovi čujnog raspona, kao i ultrazvučni valovi, pokoravaju se fizičkim zakonima. Ali ultrazvuk ima niz značajki koje mu omogućuju široku primjenu u različitim područjima znanosti, medicine i tehnologije:
1. Mala valna duljina. Za najniži ultrazvučni raspon, ne prelazi nekoliko centimetara, uzrokujući prirodu zraka širenja signala. U isto vrijeme, valfokusiran i propagiran linearnim zrakama.
2. Beznačajno razdoblje osciliranja, zbog kojeg se ultrazvuk može emitirati u impulsima.
3. U raznim okruženjima ultrazvučne vibracije valne duljine ne veće od 10 mm imaju svojstva slična svjetlosnim zrakama, što omogućuje fokusiranje vibracija, formiranje usmjerenog zračenja, odnosno ne samo da šalje energiju u pravom smjeru, već je i koncentrira u potreban volumen.
4. Uz malu amplitudu moguće je dobiti visoke vrijednosti energije vibracija, što omogućuje stvaranje visokoenergetskih ultrazvučnih polja i zraka bez upotrebe velike opreme.
5. Pod utjecajem ultrazvuka na okoliš postoje brojni specifični fizički, biološki, kemijski i medicinski učinci, kao što su:
- disperzija;
- kavitacija;
- degasiranje;
- lokalno grijanje;
- dezinfekcija i više. ostali
Pregledi
Sve ultrazvučne frekvencije podijeljene su u tri vrste:
- ULF - nizak, s rasponom od 20 do 100 kHz;
- MF - srednji raspon - od 0,1 do 10 MHz;
- UZVCh - visoke frekvencije - od 10 do 1000 MHz.
Danas je praktična primjena ultrazvuka prvenstveno korištenje valova niskog intenziteta za mjerenje, kontrolu i proučavanje unutarnje strukture različitih materijala i proizvoda. Visoke frekvencije se koriste za aktivno djelovanje na različite tvari, što vam omogućuje promjenu njihovih svojstavai struktura. Dijagnostika i liječenje mnogih bolesti ultrazvukom (koristeći različite frekvencije) zasebno je područje moderne medicine koje se aktivno razvija.
Gdje se primjenjuje?
Posljednjih desetljeća za ultrazvuk se ne zanimaju samo znanstveni teoretičari, već i praktičari koji ga sve više uvode u različite vrste ljudske djelatnosti. Danas se ultrazvučne jedinice koriste za:
| Dobivanje informacija o tvarima i materijalima | Događaji | Frekvencija u kHz | ||
| od | do | |||
| Istraživanje sastava i svojstava tvari | čvrsta tijela | 10 | 106 | |
| tekućine | 103 | 105 | ||
| plinovi | 10 | 103 | ||
| Kontrolne veličine i razine | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopija | 100 | 105 | ||
| Medicinska dijagnostika | 103 | 105 | ||
|
Utjecaji o tvarima |
Lemljenje i oblaganje | 10 | 100 | |
| Zavarivanje | 10 | 100 | ||
| Plastična deformacija | 10 | 100 | ||
| Obrada | 10 | 100 | ||
| Emulzifikacija | 10 | 104 | ||
| Kristalizacija | 10 | 100 | ||
| Sprej | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosolna koagulacija | 1 | 100 | ||
| Disperzija | 10 | 100 | ||
| Čišćenje | 10 | 100 | ||
| Kemijski procesi | 10 | 100 | ||
| Utjecaj na izgaranje | 1 | 100 | ||
| Operacija | 10 do 100 | 103 do 104 | ||
| Terapija | 103 | 104 | ||
| Obrada i upravljanje signalom | Akustoelektronski pretvarači | 103 | 107 | |
| Filtri | 10 | 105 | ||
| Linije kašnjenja | 103 | 107 | ||
| Akusto-optički uređaji | 100 | 105 | ||
U današnjem svijetu ultrazvuk je važan tehnološki alat u industrijama kao što su:
- metalurški;
- kemijska;
- poljoprivredna;
- tekstil;
- hrana;
- farmakološki;
- izrada strojeva i instrumenata;
- petrokemijska, rafinerija i ostalo.
Osim toga, ultrazvuk se sve više koristi u medicini. To je ono o čemu ćemo govoriti u sljedećem odjeljku.
Medicinska upotreba
U suvremenoj praktičnoj medicini postoje tri glavna područja primjene ultrazvuka različitih frekvencija:
1. Dijagnostika.
2. Terapijski.
3. Kirurški.
Promotrimo pobliže svako od ova tri područja.
Dijagnoza
Jedna od najsuvremenijih i najinformativnijih metoda medicinske dijagnostike je ultrazvuk. Njegove nedvojbene prednosti su: minimalan utjecaj na ljudska tkiva i visok sadržaj informacija.
Kao što je već spomenuto, ultrazvuk je zvučni valovi,šireći se u homogenom mediju pravocrtno i konstantnom brzinom. Ako se na putu nalaze područja različite akustičke gustoće, tada se dio oscilacija reflektira, a drugi dio lomi, nastavljajući svoje pravocrtno kretanje. Dakle, što je veća razlika u gustoći graničnog medija, to se više ultrazvučnih vibracija reflektira. Suvremene metode ultrazvučnog pregleda mogu se podijeliti na lokacijske i prozirne.
Ultrazvučna lokacija
U procesu takve studije bilježe se impulsi reflektirani od granica medija različite akustičke gustoće. Uz pomoć pokretnog senzora možete postaviti veličinu, mjesto i oblik predmeta koji se proučava.
Proziran
Ova metoda temelji se na činjenici da različita tkiva ljudskog tijela različito apsorbiraju ultrazvuk. Tijekom proučavanja bilo kojeg unutarnjeg organa, u njega se usmjerava val određenog intenziteta, nakon čega se odaslani signal bilježi s obrnute strane posebnim senzorom. Slika skeniranog objekta se reproducira na temelju promjene intenziteta signala na "ulazu" i "izlazu". Primljene informacije računalo se obrađuje i pretvara u obliku ehograma (krivulje) ili sonograma - dvodimenzionalne slike.
Doppler metoda
Ovo je dijagnostička metoda koja se najaktivnije razvija, koja koristi pulsni i kontinuirani ultrazvuk. Doplerografija se naširoko koristi u opstetriciji, kardiologiji i onkologiji, jer dopuštapratite i najmanje promjene u kapilarama i malim krvnim žilama.
Područja primjene dijagnostike
Danas se ultrazvučno snimanje i metode mjerenja najčešće koriste u medicinskim područjima kao što su:
- porodarstvo;
- oftalmologija;
- kardiologija;
- neurologija novorođenčadi i dojenčadi;
- pregled unutarnjih organa:
- ultrazvuk bubrega;
- jetra;
- žučni mjehur i kanali;
- ženski reproduktivni sustav;
dijagnoza vanjskih i površinskih organa (štitnjača i mliječne žlijezde)
Upotreba u terapiji
Glavni terapeutski učinak ultrazvuka je zbog njegove sposobnosti da prodire u ljudska tkiva, zagrijava ih i zagrijava, te vrši mikromasažu pojedinih područja. Ultrazvuk se može koristiti za izravne i neizravne učinke na žarište boli. Osim toga, pod određenim uvjetima, ti valovi imaju baktericidno, protuupalno, analgetsko i antispazmodičko djelovanje. Ultrazvuk koji se koristi u terapeutske svrhe uvjetno se dijeli na vibracije visokog i niskog intenziteta.
Najviše se koriste valovi niskog intenziteta za stimuliranje fizioloških reakcija ili laganog, neoštećenog zagrijavanja. Ultrazvučno liječenje pokazalo je pozitivne rezultate kod bolesti kao što su:
- artritis;
- artritis;
- myalgia;
- spondilitis;
- neuralgija;
- varikozni i trofični ulkusi;
- Ankilozirajući spondilitis;
- obliterirajući endarteritis.
U tijeku su studije koje koriste ultrazvuk za liječenje Meniereove bolesti, emfizema, čira na dvanaesniku i želucu, astme, otoskleroze.
Ultrazvučna kirurgija
Moderna kirurgija korištenjem ultrazvučnih valova podijeljena je u dva područja:
- selektivno uništavanje područja tkiva posebnim kontroliranim ultrazvučnim valovima visokog intenziteta s frekvencijama od 106 do 107 Hz;
- korištenjem kirurškog instrumenta sa superponiranim ultrazvučnim vibracijama od 20 do 75 kHz.
Primjer selektivne ultrazvučne operacije je drobljenje kamenaca ultrazvukom u bubrezima. U procesu takve neinvazivne operacije ultrazvučni val djeluje na kamen kroz kožu, odnosno izvan ljudskog tijela.
Nažalost, ova kirurška metoda ima niz ograničenja. Nemojte koristiti ultrazvučno drobljenje u sljedećim slučajevima:
- trudnice u bilo koje vrijeme;
- ako je promjer kamenja veći od dva centimetra;
- za sve zarazne bolesti;
- u prisutnosti bolesti koje remete normalno zgrušavanje krvi;
- u slučaju teških lezija kostiju.
Unatoč činjenici da se uklanjanje bubrežnih kamenaca ultrazvukom obavlja bez operacijerezove, prilično je bolno i izvodi se u općoj ili lokalnoj anesteziji.
Kirurški ultrazvučni instrumenti koriste se ne samo za manje bolno seciranje kosti i mekih tkiva, već i za smanjenje gubitka krvi.
Skrenimo pažnju na stomatologiju. Ultrazvukom se zubni kamenci uklanjaju manje bolno, a sve ostale liječničke manipulacije puno su lakše podnošljive. Osim toga, u traumatološkoj i ortopedskoj praksi ultrazvuk se koristi za vraćanje integriteta slomljenih kostiju. Tijekom takvih operacija, prostor između fragmenata kostiju ispunjava se posebnim spojem koji se sastoji od koštanih čipova i posebne tekuće plastike, a zatim se izlaže ultrazvuku, zbog čega su sve komponente čvrsto povezane. Oni koji su prošli kirurške intervencije tijekom kojih je korišten ultrazvuk ostavljaju različite recenzije - pozitivne i negativne. Ipak, treba napomenuti da zadovoljnih pacijenata ima još!
