În ciuda faptului că studiul undelor ultrasonice a început cu mai bine de o sută de ani în urmă, abia în ultima jumătate de secol au devenit utilizate pe scară largă în diverse domenii ale activității umane. Acest lucru se datorează dezvoltării active atât a secțiunilor cuantice, cât și a secțiunilor neliniare ale acusticii, precum și a electronicii cuantice și a fizicii stării solide. Astăzi, ultrasunetele nu reprezintă doar o desemnare a regiunii de în altă frecvență a undelor acustice, ci o întreagă direcție științifică în fizica și biologia modernă, care este asociată cu tehnologiile industriale, informaționale și de măsurare, precum și cu metodele de diagnosticare, chirurgicale și terapeutice. medicina modernă.
Ce este asta?
Toate undele sonore pot fi împărțite în cele care sunt audibile de oameni - acestea sunt frecvențe de la 16 la 18 mii Hz, și cele care sunt în afara intervalului de percepție umană - infraroșu și ultrasunete. Infrasunetele este înțeles ca unde similare cu sunetul, dar cu frecvențe mai mici decât cele percepute de urechea umană. Limita superioară a regiunii infrasonice este de 16 Hz, iar limita inferioară este de 0,001 Hz.
Ultrasunete- acestea sunt și unde sonore, dar doar frecvența lor este mai mare decât o poate percepe aparatul auditiv uman. De regulă, ele înseamnă frecvențe de la 20 la 106 kHz. Limita lor superioară depinde de mediul în care se propagă aceste unde. Deci, într-un mediu gazos, limita este de 106 kHz, iar în solide și lichide ajunge la 1010 kHz. Există componente ultrasonice în zgomotul ploii, vântului sau cascadelor, descărcărilor de fulgere și foșnetul pietricelelor rostogolite de valul mării. Datorită capacității de a percepe și analiza undele ultrasonice, balenele și delfinii, liliecii și insectele nocturne se orientează în spațiu.
Un pic de istorie
Primele studii de ultrasunete (SUA) au fost efectuate la începutul secolului al XIX-lea de către omul de știință francez F. Savart, care a căutat să afle limita superioară de frecvență a audibilității aparatului auditiv uman. În viitor, oameni de știință cunoscuți precum germanul V. Vin, englezul F. G alton, rusul P. Lebedev și un grup de studenți au fost implicați în studiul undelor ultrasonice.
În 1916, fizicianul francez P. Langevin, în colaborare cu omul de știință emigrat rus Konstantin Shilovsky, a reușit să folosească cuarțul pentru a primi și a emite ultrasunete pentru măsurători marine și a detecta obiecte subacvatice, ceea ce a permis cercetătorilor să creeze primele sonar, format din transmițător și receptor de ultrasunete.
În 1925, americanul W. Pierce a creat un dispozitiv, astăzi numit interferometru Pierce, care măsoară vitezele și absorbția cu mare precizieultrasunete în medii lichide și gazoase. În 1928, omul de știință sovietic S. Sokolov a fost primul care a folosit undele ultrasonice pentru a detecta diverse defecte ale solidelor, inclusiv cele metalice.
În anii 50-60 postbelici, pe baza dezvoltărilor teoretice ale unei echipe de oameni de știință sovietici conduse de L. D. Rozenberg, ultrasunetele au început să fie utilizate pe scară largă în diverse domenii industriale și tehnologice. În același timp, datorită muncii oamenilor de știință britanici și americani, precum și cercetărilor cercetătorilor sovietici precum R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov și mulți alții, o disciplină științifică precum acustica neliniară se dezvoltă rapid.
În aceeași perioadă, au fost făcute primele încercări americane de a folosi ultrasunetele în medicină.
Omul de știință sovietic Sokolov, la sfârșitul anilor patruzeci ai secolului trecut, a dezvoltat o descriere teoretică a unui instrument conceput pentru a vizualiza obiecte opace - un microscop „ultrasunet”. Pe baza acestor lucrări, la mijlocul anilor '70, experții de la Universitatea Stanford au creat un prototip de microscop acustic cu scanare.
Funcții
Având o natură comună, undele din domeniul audibil, precum și undele ultrasonice, se supun legilor fizice. Dar ultrasunetele are o serie de caracteristici care îi permit să fie utilizat pe scară largă în diverse domenii ale științei, medicinei și tehnologiei:
1. Lungime de undă mică. Pentru cel mai mic interval de ultrasunete, acesta nu depășește câțiva centimetri, provocând natura razelor de propagare a semnalului. În același timp, valulfocalizat și propagat prin fascicule liniare.
2. Perioada de oscilație nesemnificativă, datorită căreia ultrasunetele pot fi emise în impulsuri.
3. În diferite medii, vibrațiile ultrasonice cu o lungime de undă care nu depășește 10 mm au proprietăți similare razelor de lumină, ceea ce face posibilă focalizarea vibrațiilor, formarea radiațiilor direcționate, adică nu numai că trimit energie în direcția corectă, ci și o concentrează în volumul necesar.
4. Cu o amplitudine mică, este posibil să se obțină valori ridicate ale energiei de vibrație, ceea ce face posibilă crearea de câmpuri și fascicule ultrasonice de în altă energie fără utilizarea unor echipamente mari.
5. Sub influența ultrasunetelor asupra mediului, există multe efecte fizice, biologice, chimice și medicale specifice, cum ar fi:
- dispersie;
- cavitație;
- degazare;
- încălzire locală;
- dezinfecție și multe altele. altele
Vizualizări
Toate frecvențele ultrasonice sunt împărțite în trei tipuri:
- ULF - scăzut, cu un interval de la 20 la 100 kHz;
- MF - interval mediu - de la 0,1 la 10 MHz;
- UZVCh - frecvență în altă - de la 10 la 1000 MHz.
Astăzi, utilizarea practică a ultrasunetelor este în primul rând utilizarea undelor de intensitate scăzută pentru măsurarea, controlul și studierea structurii interne a diferitelor materiale și produse. În altă frecvență sunt folosite pentru a influența activ diferite substanțe, ceea ce vă permite să le schimbați proprietățilesi structura. Diagnosticul și tratamentul multor boli cu ultrasunete (folosind frecvențe diferite) este un domeniu separat și în curs de dezvoltare a medicinei moderne.
Unde se aplică?
În ultimele decenii, nu doar teoreticienii științifici sunt interesați de ultrasunete, ci și practicienii care o introduc din ce în ce mai mult în diferitele tipuri de activitate umană. Astăzi, unitățile cu ultrasunete sunt folosite pentru:
| Obținerea de informații despre substanțe și materiale | Evenimente | Frecvența în kHz | ||
| de la | la | |||
| Cercetare privind compoziția și proprietățile substanțelor | corpi solide | 10 | 106 | |
| lichide | 103 | 105 | ||
| gaze | 10 | 103 | ||
| Controlați dimensiunile și nivelurile | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defectoscopy | 100 | 105 | ||
| Diagnoză medicală | 103 | 105 | ||
|
Impact pentru substanțe |
Lipire și placare | 10 | 100 | |
| Sudura | 10 | 100 | ||
| Deformare plastică | 10 | 100 | ||
| Prelucrare | 10 | 100 | ||
| Emulsionare | 10 | 104 | ||
| Cristalizare | 10 | 100 | ||
| Spray | 10-100 | 103-104 | ||
| Coagulare cu aerosoli | 1 | 100 | ||
| Dispersie | 10 | 100 | ||
| Curățenie | 10 | 100 | ||
| Procese chimice | 10 | 100 | ||
| Influența asupra arderii | 1 | 100 | ||
| Chirurgie | 10 până la 100 | 103 până la 104 | ||
| Terapie | 103 | 104 | ||
| Procesarea și gestionarea semnalului | Traductoare acustoelectronice | 103 | 107 | |
| Filtre | 10 | 105 | ||
| Linii de întârziere | 103 | 107 | ||
| Dispozitive acusto-optice | 100 | 105 | ||
În lumea de astăzi, ultrasunetele este un instrument tehnologic important în industrii precum:
- metalurgică;
- chimic;
- agricole;
- textile;
- mâncare;
- farmacologic;
- fabricarea de mașini și instrumente;
- petrochimie, rafinare și altele.
În plus, ultrasunetele sunt din ce în ce mai folosite în medicină. Despre asta vom vorbi în secțiunea următoare.
Uz medical
În medicina practică modernă, există trei domenii principale de utilizare a ultrasunetelor de diferite frecvențe:
1. Diagnosticare.
2. Terapeutic.
3. Chirurgical.
Să aruncăm o privire mai atentă la fiecare dintre aceste trei domenii.
Diagnostic
Una dintre cele mai moderne și mai informative metode de diagnosticare medicală este ultrasunetele. Avantajele sale neîndoielnice sunt: impact minim asupra țesuturilor umane și conținut ridicat de informații.
După cum sa menționat deja, ultrasunetele sunt unde sonore,propagandu-se intr-un mediu omogen in linie dreapta si cu viteza constanta. Dacă pe drum sunt zone cu densități acustice diferite, atunci o parte din oscilații este reflectată, iar ceal altă parte este refractă, continuând mișcarea rectilinie. Astfel, cu cât este mai mare diferența de densitate a mediului de limită, cu atât sunt reflectate mai multe vibrații ultrasonice. Metodele moderne de examinare cu ultrasunete pot fi împărțite în localizare și translucide.
Locație cu ultrasunete
În procesul unui astfel de studiu, sunt înregistrate impulsuri reflectate de la limitele mediilor cu densități acustice diferite. Cu ajutorul unui senzor mobil, puteți seta dimensiunea, locația și forma obiectului studiat.
Translucid
Această metodă se bazează pe faptul că diferitele țesuturi ale corpului uman absorb ultrasunetele în mod diferit. În timpul studiului oricărui organ intern, o undă cu o anumită intensitate este direcționată în el, după care semnalul transmis este înregistrat din verso cu un senzor special. Imaginea obiectului scanat este reprodusă pe baza modificării intensității semnalului la „intrare” și „ieșire”. Informațiile primite sunt procesate și convertite de un computer sub forma unei ecograme (curbe) sau a unei sonograme - o imagine bidimensională.
Metoda Doppler
Aceasta este cea mai activă metodă de diagnosticare, care utilizează atât ultrasunete pulsate, cât și continue. Dopplerografia este utilizată pe scară largă în obstetrică, cardiologie și oncologie, deoarece permiteurmăriți chiar și cele mai mici modificări ale capilarelor și vaselor de sânge mici.
Domenii de aplicare a diagnosticelor
Astăzi, imagistica cu ultrasunete și metodele de măsurare sunt cele mai utilizate pe scară largă în domenii medicale, cum ar fi:
- obstetrică;
- oftalmologie;
- cardiologie;
- neurologia nou-născuților și sugarilor;
- examinarea organelor interne:
- ecografie renală;
- ficat;
- vezica biliară și canale;
- sistemul reproductiv feminin;
diagnosticarea organelor externe și superficiale (tiroidă și glande mamare)
Utilizare în terapie
Efectul terapeutic principal al ultrasunetelor se datorează capacității sale de a pătrunde în țesuturile umane, de a le încălzi și de a le încălzi și de a efectua micromasajul zonelor individuale. Ultrasunetele pot fi folosite atât pentru efecte directe, cât și indirecte asupra focalizării durerii. În plus, în anumite condiții, aceste valuri au un efect bactericid, antiinflamator, analgezic și antispastic. Ultrasunetele utilizate în scopuri terapeutice sunt împărțite condiționat în vibrații de intensitate ridicată și de joasă intensitate.
Undele de intensitate scăzută sunt cele mai utilizate pentru a stimula răspunsuri fiziologice sau încălzire ușoară, nedaunătoare. Tratamentul cu ultrasunete a arătat rezultate pozitive în boli precum:
- artrita;
- artrita;
- mialgie;
- spondilită;
- nevralgie;
- ulcere varicoase și trofice;
- Spondilită anchilozantă;
- endarterită obliterantă.
Sunt în curs de desfășurare studii care folosesc ultrasunetele pentru a trata boala Meniere, emfizemul, ulcerele duodenale și gastrice, astmul, otoscleroza.
Chirurgie cu ultrasunete
Chirurgia modernă care utilizează unde ultrasunete este împărțită în două zone:
- distrugerea selectivă a zonelor de țesut cu unde ultrasunete de mare intensitate controlate speciale cu frecvențe de la 106 la 107 Hz;
- folosind un instrument chirurgical cu vibrații ultrasonice suprapuse de la 20 la 75 kHz.
Un exemplu de chirurgie selectivă cu ultrasunete este zdrobirea pietrelor prin ultrasunete la rinichi. În procesul unei astfel de operații neinvazive, o undă ultrasonică acționează asupra pietrei prin piele, adică în afara corpului uman.
Din păcate, această metodă chirurgicală are o serie de limitări. Nu utilizați zdrobirea cu ultrasunete în următoarele cazuri:
- femei însărcinate în orice moment;
- dacă diametrul pietrelor este mai mare de doi centimetri;
- pentru orice boli infecțioase;
- în prezența unor boli care perturbă coagularea normală a sângelui;
- în caz de leziuni osoase severe.
În ciuda faptului că îndepărtarea pietrelor la rinichi prin ecografie se face fără operațieincizii, este destul de dureroasă și se efectuează sub anestezie generală sau locală.
Instrumentele chirurgicale cu ultrasunete sunt folosite nu numai pentru disecția mai puțin dureroasă a oaselor și a țesuturilor moi, ci și pentru a reduce pierderile de sânge.
Să ne îndreptăm atenția către stomatologie. Ecografia îndepărtează pietrele dentare mai puțin dureros, iar toate celel alte manipulări ale medicului sunt mult mai ușor de suportat. În plus, în practica traumatică și ortopedică, ultrasunetele sunt folosite pentru a restabili integritatea oaselor rupte. În timpul unor astfel de operațiuni, spațiul dintre fragmentele osoase este umplut cu un compus special format din așchii de os și un plastic lichid special, apoi este expus la ultrasunete, datorită cărora toate componentele sunt conectate ferm. Cei care au suferit intervenții chirurgicale în timpul cărora s-a folosit ultrasunetele lasă diferite recenzii - atât pozitive, cât și negative. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că există încă mai mulți pacienți mulțumiți!
