Neskatoties uz to, ka ultraskaņas viļņus sāka pētīt vairāk nekā pirms simts gadiem, tikai pēdējā pusgadsimta laikā tos plaši izmanto dažādās cilvēka darbības jomās. Tas ir saistīts ar akustikas kvantu un nelineārās sadaļas, kā arī kvantu elektronikas un cietvielu fizikas aktīvu attīstību. Mūsdienās ultraskaņa nav tikai akustisko viļņu augstfrekvences apgabala apzīmējums, bet gan vesels zinātnisks virziens mūsdienu fizikā un bioloģijā, kas saistīts ar rūpnieciskajām, informācijas un mērīšanas tehnoloģijām, kā arī diagnostikas, ķirurģiskām un terapeitiskām metodēm. mūsdienu medicīna.
Kas tas ir?
Visus skaņas viļņus var iedalīt tādos, kas ir dzirdami cilvēkiem – tās ir frekvences no 16 līdz 18 tūkstošiem Hz, un tajos, kas atrodas ārpus cilvēka uztveres diapazona – infrasarkanajā un ultraskaņā. Ar infraskaņu saprot skaņai līdzīgus viļņus, bet kuru frekvences ir zemākas nekā cilvēka auss uztvertās. Infraskaņas apgabala augšējā robeža ir 16 Hz, bet apakšējā robeža ir 0,001 Hz.
Ultraskaņa- tie arī ir skaņas viļņi, bet tikai to frekvence ir augstāka nekā cilvēka dzirdes aparāts spēj uztvert. Parasti tie nozīmē frekvences no 20 līdz 106 kHz. To augšējā robeža ir atkarīga no vides, kurā šie viļņi izplatās. Tātad gāzveida vidē robeža ir 106 kHz, bet cietās vielās un šķidrumos tas sasniedz 1010 kHz. Lietus, vēja vai ūdenskritumu troksnī, zibens izlādes un jūras viļņu ripināto oļu šalkoņā ir ultraskaņas komponenti. Pateicoties spējai uztvert un analizēt ultraskaņas viļņus, vaļi un delfīni, sikspārņi un nakts kukaiņi orientējas kosmosā.
Mazliet vēstures
Pirmos ultraskaņas (ASV) pētījumus 19. gadsimta sākumā veica franču zinātnieks F. Savarts, kurš centās noskaidrot cilvēka dzirdes aparāta dzirdamības augšējo frekvences robežu. Nākotnē ar ultraskaņas viļņu izpēti nodarbojās tādi pazīstami zinātnieki kā vācietis V. Vins, anglis F. G altons, krievs P. Ļebedevs un studentu grupa.
1916. gadā franču fiziķis P. Langevins, sadarbojoties ar krievu emigrantu zinātnieku Konstantīnu Šilovski, spēja izmantot kvarcu ultraskaņas uztveršanai un izstarošanai jūras mērījumiem un zemūdens objektu noteikšanai, kas ļāva pētniekiem izveidot pirmo hidrolokators, kas sastāv no ultraskaņas raidītāja un uztvērēja.
1925. gadā amerikānis V. Pīrss izveidoja ierīci, ko mūsdienās sauc par Pīrsa interferometru, kas mēra ātrumu un absorbciju ar lielu precizitāti.ultraskaņa šķidrā un gāzveida vidē. 1928. gadā padomju zinātnieks S. Sokolovs bija pirmais, kurš ar ultraskaņas viļņiem atklāja dažādus defektus cietās vielās, tostarp metāliskos.
Pēckara 50.-60. gados, balstoties uz L. D. Rozenberga vadītās padomju zinātnieku komandas teorētiskajām izstrādnēm, ultraskaņu sāka plaši izmantot dažādās rūpniecības un tehnoloģiju jomās. Tajā pašā laikā, pateicoties britu un amerikāņu zinātnieku darbam, kā arī padomju pētnieku, piemēram, R. V. Hokhlovas, V. A. Krasiļņikova un daudzu citu pētījumiem, strauji attīstās tāda zinātnes disciplīna kā nelineārā akustika.
Aptuveni tajā pašā laikā tika veikti pirmie amerikāņu mēģinājumi izmantot ultraskaņu medicīnā.
Padomju zinātnieks Sokolovs pagājušā gadsimta četrdesmito gadu beigās izstrādāja teorētisku aprakstu instrumentam, kas paredzēts necaurspīdīgu objektu vizualizēšanai - "ultraskaņas" mikroskopam. Pamatojoties uz šiem darbiem, 70. gadu vidū Stenfordas universitātes eksperti izveidoja skenējošā akustiskā mikroskopa prototipu.
Funkcijas
Ir kopīga daba, dzirdamā diapazona viļņi, kā arī ultraskaņas viļņi, pakļaujas fizikālajiem likumiem. Taču ultraskaņai ir vairākas funkcijas, kas ļauj to plaši izmantot dažādās zinātnes, medicīnas un tehnoloģiju jomās:
1. Mazs viļņa garums. Zemākajā ultraskaņas diapazonā tas nepārsniedz dažus centimetrus, izraisot signāla izplatīšanās staru raksturu. Tajā pašā laikā vilnisfokusēts un izplatīts ar lineāriem stariem.
2. Nenozīmīgs svārstību periods, kura dēļ ultraskaņa var tikt emitēta impulsos.
3. Dažādās vidēs ultraskaņas vibrācijām, kuru viļņa garums nepārsniedz 10 mm, piemīt gaismas stariem līdzīgas īpašības, kas ļauj fokusēt vibrācijas, veidot virzītu starojumu, tas ir, ne tikai sūtīt enerģiju pareizajā virzienā, bet arī koncentrēt to nepieciešamais apjoms.
4. Ar nelielu amplitūdu ir iespējams iegūt augstas vibrācijas enerģijas vērtības, kas ļauj izveidot augstas enerģijas ultraskaņas laukus un starus, neizmantojot lielu aprīkojumu.
5. Ultraskaņas ietekmei uz vidi ir daudz specifisku fizikālu, bioloģisku, ķīmisku un medicīnisku efektu, piemēram:
- dispersija;
- kavitācija;
- degazēšana;
- vietējā apkure;
- dezinfekcija un vairāk. citi
Skatījumi
Visas ultraskaņas frekvences ir iedalītas trīs veidos:
- ULF - zems, ar diapazonu no 20 līdz 100 kHz;
- MF - vidējais diapazons - no 0,1 līdz 10 MHz;
- UZVCh - augsta frekvence - no 10 līdz 1000 MHz.
Mūsdienās ultraskaņas praktiskā izmantošana galvenokārt ir zemas intensitātes viļņu izmantošana dažādu materiālu un izstrādājumu iekšējās struktūras mērīšanai, kontrolei un izpētei. Augstas frekvences tiek izmantotas, lai aktīvi ietekmētu dažādas vielas, kas ļauj mainīt to īpašībasun struktūra. Daudzu slimību diagnostika un ārstēšana ar ultraskaņu (izmantojot dažādas frekvences) ir atsevišķa un aktīvi attīstās mūsdienu medicīnas joma.
Kur tas attiecas?
Pēdējās desmitgadēs par ultraskaņu interesējas ne tikai zinātniskie teorētiķi, bet arī praktiķi, kas to arvien vairāk ievieš dažādos cilvēka darbības veidos. Mūsdienās ultraskaņas ierīces izmanto:
| Informācijas iegūšana par vielām un materiāliem | Notikumi | Frekvence kHz | ||
| no | uz | |||
| Pētījumi par vielu sastāvu un īpašībām | cieti korpusi | 10 | 106 | |
| šķidrumi | 103 | 105 | ||
| gāzes | 10 | 103 | ||
| Vadības izmēri un līmeņi | 10 | 103 | ||
| Sonārs | 1 | 100 | ||
| Defektoskopija | 100 | 105 | ||
| Medicīniskā diagnostika | 103 | 105 | ||
|
Ietekme par vielām |
Lodēšana un apšuvums | 10 | 100 | |
| Metināšana | 10 | 100 | ||
| Plastiskā deformācija | 10 | 100 | ||
| Apstrāde | 10 | 100 | ||
| Emulgācija | 10 | 104 | ||
| Kristalizācija | 10 | 100 | ||
| Smidzinātājs | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosola koagulācija | 1 | 100 | ||
| Dispersija | 10 | 100 | ||
| Tīrīšana | 10 | 100 | ||
| Ķīmiskie procesi | 10 | 100 | ||
| Ietekme uz degšanu | 1 | 100 | ||
| Ķirurģija | 10 līdz 100 | 103 līdz 104 | ||
| Terapija | 103 | 104 | ||
| Signālu apstrāde un pārvaldība | Akustoelektroniskie devēji | 103 | 107 | |
| Filtri | 10 | 105 | ||
| Aiztures līnijas | 103 | 107 | ||
| Akustiskās-optiskās ierīces | 100 | 105 | ||
Mūsdienu pasaulē ultraskaņa ir svarīgs tehnoloģisks instruments tādās nozarēs kā:
- metalurģija;
- ķīmiska;
- lauksaimniecība;
- tekstils;
- ēdiens;
- farmakoloģiskā;
- mašīnu un instrumentu izgatavošana;
- naftas ķīmija, pārstrāde un citi.
Turklāt ultraskaņu arvien vairāk izmanto medicīnā. Par to mēs runāsim nākamajā sadaļā.
Medicīnas lietošanai
Mūsdienu praktiskajā medicīnā ir trīs galvenās dažādu frekvenču ultraskaņas izmantošanas jomas:
1. Diagnostika.
2. Terapeitiskā.
3. Ķirurģiskā.
Sīkāk apskatīsim katru no šīm trim jomām.
Diagnoze
Viena no modernākajām un informatīvākajām medicīniskās diagnostikas metodēm ir ultraskaņa. Tās neapšaubāmās priekšrocības ir: minimāla ietekme uz cilvēka audiem un augsts informācijas saturs.
Kā jau minēts, ultraskaņa ir skaņas viļņi,izplatās viendabīgā vidē taisnā līnijā un nemainīgā ātrumā. Ja ceļā ir apgabali ar dažādu akustisko blīvumu, tad daļa no svārstībām tiek atspoguļota, bet otra daļa tiek lauzta, turpinot taisnvirziena kustību. Tādējādi, jo lielāka ir robežvides blīvuma atšķirība, jo vairāk tiek atspoguļotas ultraskaņas vibrācijas. Mūsdienu ultraskaņas izmeklēšanas metodes var iedalīt lokālajās un caurspīdīgajās.
Ultraskaņas atrašanās vieta
Šāda pētījuma procesā tiek reģistrēti impulsi, kas atspoguļoti no mediju robežām ar dažādu akustisko blīvumu. Ar kustīga sensora palīdzību var iestatīt pētāmā objekta izmēru, atrašanās vietu un formu.
Caurspīdīgs
Šīs metodes pamatā ir fakts, ka dažādi cilvēka ķermeņa audi ultraskaņu absorbē atšķirīgi. Jebkura iekšējā orgāna izpētes laikā tajā tiek virzīts vilnis ar noteiktu intensitāti, pēc kura pārraidītais signāls tiek ierakstīts no aizmugures ar īpašu sensoru. Skenētā objekta attēls tiek reproducēts, pamatojoties uz signāla intensitātes izmaiņām pie "ieejas" un "izejas". Saņemto informāciju apstrādā un pārveido dators ehogrammas (līknes) vai sonogrammas - divdimensiju attēla veidā.
Doplera metode
Šī ir visaktīvāk attīstošā diagnostikas metode, kurā tiek izmantota gan impulsa, gan nepārtraukta ultraskaņa. Doplerogrāfija tiek plaši izmantota dzemdniecībā, kardioloģijā un onkoloģijā, kā tas ļaujizsekot pat mazākajām izmaiņām kapilāros un mazajos asinsvados.
Diagnostikas pielietošanas jomas
Mūsdienās ultraskaņas attēlveidošanas un mērīšanas metodes tiek visplašāk izmantotas tādās medicīnas jomās kā:
- dzemdniecība;
- oftalmoloģija;
- kardioloģija;
- jaundzimušo un zīdaiņu neiroloģija;
- iekšējo orgānu izmeklēšana:
- nieru ultraskaņa;
- aknas;
- žultspūslis un kanāli;
- sieviešu reproduktīvā sistēma;
ārējo un virspusējo orgānu (vairogdziedzera un piena dziedzeru) diagnostika
Izmantojiet terapijā
Ultraskaņas galvenais terapeitiskais efekts ir saistīts ar tās spēju iekļūt cilvēka audos, tos sasildīt un sasildīt, veikt atsevišķu zonu mikromasāžu. Ultraskaņu var izmantot gan tiešai, gan netiešai ietekmei uz sāpju fokusu. Turklāt noteiktos apstākļos šiem viļņiem ir baktericīda, pretiekaisuma, pretsāpju un spazmolītiska iedarbība. Terapeitiskos nolūkos izmantoto ultraskaņu nosacīti iedala augstas un zemas intensitātes vibrācijās.
Tie ir zemas intensitātes viļņi, kurus visplašāk izmanto, lai stimulētu fizioloģiskas reakcijas vai vieglu, nekaitīgu sildīšanu. Ultraskaņas ārstēšana ir uzrādījusi pozitīvus rezultātus tādām slimībām kā:
- artrīts;
- artrīts;
- mialģija;
- spondilīts;
- neiralģija;
- varikozas un trofiskas čūlas;
- Ankilozējošais spondilīts;
- obliterējošs endarterīts.
Notiek pētījumi, kuros ultraskaņa tiek izmantota Menjēra slimības, emfizēmas, divpadsmitpirkstu zarnas un kuņģa čūlas, astmas, otosklerozes ārstēšanai.
Ultraskaņas ķirurģija
Mūsdienu ķirurģija, izmantojot ultraskaņas viļņus, ir sadalīta divās jomās:
- selektīvi iznīcinot audu zonas ar īpašiem kontrolētiem augstas intensitātes ultraskaņas viļņiem ar frekvencēm no 106 līdz 107 Hz;
- izmantojot ķirurģisku instrumentu ar ultraskaņas vibrācijām no 20 līdz 75 kHz.
Selektīvas ultraskaņas operācijas piemērs ir akmeņu sasmalcināšana ar ultraskaņu nierēs. Šādas neinvazīvas operācijas procesā ultraskaņas vilnis iedarbojas uz akmeni caur ādu, tas ir, ārpus cilvēka ķermeņa.
Diemžēl šai ķirurģiskajai metodei ir vairāki ierobežojumi. Neizmantojiet ultraskaņas drupināšanu šādos gadījumos:
- grūtnieces jebkurā laikā;
- ja akmeņu diametrs ir lielāks par diviem centimetriem;
- jebkādām infekcijas slimībām;
- tādu slimību klātbūtnē, kas traucē normālu asins recēšanu;
- smagu kaulu bojājumu gadījumā.
Neskatoties uz to, ka nierakmeņu noņemšana ar ultraskaņu tiek veikta bez operācijasiegriezumiem, tas ir diezgan sāpīgs un tiek veikts vispārējā vai vietējā anestēzijā.
Ķirurģiskie ultraskaņas instrumenti tiek izmantoti ne tikai mazāk sāpīgai kaulu un mīksto audu sadalīšanai, bet arī asins zuduma samazināšanai.
Pievērsīsim uzmanību zobārstniecībai. Ar ultraskaņu zobu akmeņus izņem mazāk sāpīgi, un visas pārējās ārsta manipulācijas ir daudz vieglāk panesamas. Turklāt traumu un ortopēdijas praksē ultraskaņu izmanto, lai atjaunotu šķelto kaulu integritāti. Šādu operāciju laikā telpa starp kaulu fragmentiem tiek piepildīta ar īpašu savienojumu, kas sastāv no kaulu šķembām un īpašas šķidras plastmasas, un pēc tam tiek pakļauts ultraskaņai, kā rezultātā visas sastāvdaļas ir cieši savienotas. Tie, kuriem ir veiktas ķirurģiskas iejaukšanās, kuru laikā tika izmantota ultraskaņa, atstāj dažādas atsauksmes - gan pozitīvas, gan negatīvas. Tomēr jāatzīmē, ka apmierināto pacientu joprojām ir vairāk!
