Napriek tomu, že štúdium ultrazvukových vĺn začalo pred viac ako sto rokmi, až za posledné polstoročie sa stali široko používanými v rôznych oblastiach ľudskej činnosti. Je to spôsobené aktívnym vývojom kvantovej aj nelineárnej časti akustiky, kvantovej elektroniky a fyziky pevných látok. Dnes nie je ultrazvuk len označením vysokofrekvenčnej oblasti akustických vĺn, ale celým vedeckým smerom modernej fyziky a biológie, ktorý je spojený s priemyselnými, informačnými a meracími technológiami, ako aj s diagnostickými, chirurgickými a terapeutickými metódami moderná medicína.
Čo je toto?
Všetky zvukové vlny možno rozdeliť na tie, ktoré sú počuteľné pre človeka – ide o frekvencie od 16 do 18 tisíc Hz, a tie, ktoré sú mimo dosahu ľudského vnímania – infračervené a ultrazvukové. Infrazvuk sa chápe ako vlny podobné zvuku, ale s frekvenciami nižšími, než aké vníma ľudské ucho. Horná hranica infrazvukovej oblasti je 16 Hz a dolná hranica je 0,001 Hz.
Ultrazvuk- to sú tiež zvukové vlny, ale len ich frekvencia je vyššia ako dokáže vnímať ľudský načúvací prístroj. Spravidla majú na mysli frekvencie od 20 do 106 kHz. Ich horná hranica závisí od prostredia, v ktorom sa tieto vlny šíria. Takže v plynnom médiu je limit 106 kHz a v pevných látkach a kvapalinách dosahuje 1010 kHz. V šume dažďa, vetra či vodopádov, výbojoch bleskov a šuchote kamienkov navalených morskou vlnou sú ultrazvukové zložky. Práve vďaka schopnosti vnímať a analyzovať ultrazvukové vlny sa veľryby a delfíny, netopiere a nočný hmyz orientujú v priestore.
Trošku histórie
Prvé štúdie ultrazvuku (US) uskutočnil začiatkom 19. storočia francúzsky vedec F. Savart, ktorý sa snažil zistiť hornú hranicu frekvencie počuteľnosti ľudského načúvacieho prístroja. Štúdiu ultrazvukových vĺn sa v budúcnosti venovali takí známi vedci ako Nemec V. Vin, Angličan F. G alton, Rus P. Lebedev a skupina študentov.
V roku 1916 francúzsky fyzik P. Langevin v spolupráci s ruským emigrantským vedcom Konstantinom Shilovskym dokázal použiť kremeň na príjem a vyžarovanie ultrazvuku na morské merania a detekciu podvodných objektov, čo umožnilo výskumníkom vytvoriť prvý sonar, pozostávajúci z vysielača a prijímača ultrazvuku.
V roku 1925 vytvoril Američan W. Pierce zariadenie, dnes nazývané Pierceov interferometer, ktoré s veľkou presnosťou meria rýchlosti a absorpciuultrazvuk v kvapalných a plynných médiách. V roku 1928 sovietsky vedec S. Sokolov ako prvý použil ultrazvukové vlny na detekciu rôznych defektov pevných látok, vrátane kovových.
V povojnových 50-60-tych rokoch, na základe teoretického vývoja tímu sovietskych vedcov na čele s L. D. Rozenbergom, sa ultrazvuk začal široko používať v rôznych priemyselných a technologických oblastiach. Zároveň sa vďaka práci britských a amerických vedcov, ako aj výskumu sovietskych výskumníkov ako R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov a mnohých ďalších, rýchlo rozvíja taká vedecká disciplína, akou je nelineárna akustika.
Približne v rovnakom čase sa uskutočnili prvé americké pokusy použiť ultrazvuk v medicíne.
Sovietsky vedec Sokolov na konci štyridsiatych rokov minulého storočia vypracoval teoretický popis prístroja určeného na vizualizáciu nepriehľadných objektov – „ultrazvukového“mikroskopu. Na základe týchto prác vytvorili v polovici 70. rokov odborníci zo Stanfordskej univerzity prototyp skenovacieho akustického mikroskopu.
Funkcie
Vlny počuteľného rozsahu, ako aj ultrazvukové vlny, majú spoločnú povahu a riadia sa fyzikálnymi zákonmi. Ultrazvuk má však množstvo funkcií, ktoré mu umožňujú široké využitie v rôznych oblastiach vedy, medicíny a techniky:
1. Malá vlnová dĺžka. Pre najnižší rozsah ultrazvuku nepresahuje niekoľko centimetrov, čo spôsobuje lúčový charakter šírenia signálu. Zároveň vlnazaostrené a šírené lineárnymi lúčmi.
2. Nevýznamná perióda oscilácií, vďaka ktorej môže byť ultrazvuk emitovaný v impulzoch.
3. V rôznych prostrediach majú ultrazvukové vibrácie s vlnovou dĺžkou nepresahujúcou 10 mm vlastnosti podobné svetelným lúčom, čo umožňuje sústrediť vibrácie, vytvárať smerované žiarenie, to znamená nielen vysielať energiu správnym smerom, ale aj koncentrovať ju v požadovaný objem.
4. S malou amplitúdou je možné získať vysoké hodnoty vibračnej energie, čo umožňuje vytvárať vysokoenergetické ultrazvukové polia a lúče bez použitia veľkých zariadení.
5. Pod vplyvom ultrazvuku na životné prostredie existuje mnoho špecifických fyzikálnych, biologických, chemických a medicínskych účinkov, ako napríklad:
- disperzia;
- kavitácia;
- degassing;
- miestne kúrenie;
- dezinfekcia a ďalšie. ostatné
Zobrazenia
Všetky ultrazvukové frekvencie sú rozdelené do troch typov:
- ULF – nízka, s rozsahom 20 až 100 kHz;
- MF – stredný rozsah – od 0,1 do 10 MHz;
- UZVCh – vysokofrekvenčné – od 10 do 1000 MHz.
Dnes je praktické využitie ultrazvuku predovšetkým využitie vĺn s nízkou intenzitou na meranie, riadenie a štúdium vnútornej štruktúry rôznych materiálov a výrobkov. Vysokofrekvenčné sa používajú na aktívne ovplyvňovanie rôznych látok, čo umožňuje meniť ich vlastnostia štruktúrou. Diagnostika a liečba mnohých chorôb pomocou ultrazvuku (pomocou rôznych frekvencií) je samostatnou a aktívne sa rozvíjajúcou oblasťou modernej medicíny.
Kde to platí?
V posledných desaťročiach sa o ultrazvuk zaujímajú nielen vedeckí teoretici, ale aj praktici, ktorí ho čoraz viac zavádzajú do rôznych druhov ľudskej činnosti. Dnes sa ultrazvukové jednotky používajú na:
| Získanie informácií o látkach a materiáloch | Udalosti | Frekvencia v kHz | ||
| od | do | |||
| Výskum zloženia a vlastností látok | pevné telesá | 10 | 106 | |
| kvapaliny | 103 | 105 | ||
| plyny | 10 | 103 | ||
| Ovládajte veľkosti a úrovne | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopia | 100 | 105 | ||
| Lekárska diagnostika | 103 | 105 | ||
|
Dopady o látkach |
Spájkovanie a pokovovanie | 10 | 100 | |
| Zváranie | 10 | 100 | ||
| Plastová deformácia | 10 | 100 | ||
| Obrábanie | 10 | 100 | ||
| Emulgácia | 10 | 104 | ||
| Kryštalizácia | 10 | 100 | ||
| Sprej | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosólová koagulácia | 1 | 100 | ||
| Disperzia | 10 | 100 | ||
| Čistenie | 10 | 100 | ||
| Chemické procesy | 10 | 100 | ||
| Vplyv na spaľovanie | 1 | 100 | ||
| Chirurgia | 10 až 100 | 103 až 104 | ||
| Terapia | 103 | 104 | ||
| Spracovanie a správa signálov | Akustoelektronické prevodníky | 103 | 107 | |
| Filtre | 10 | 105 | ||
| Meškacie linky | 103 | 107 | ||
| Akustooptické zariadenia | 100 | 105 | ||
V dnešnom svete je ultrazvuk dôležitým technologickým nástrojom v odvetviach ako:
- metalurgický;
- chemical;
- agricultural;
- textile;
- jedlo;
- pharmacological;
- výroba strojov a nástrojov;
- petrochemické, rafinérske a iné.
Okrem toho sa v medicíne stále viac používa ultrazvuk. To je to, o čom budeme hovoriť v ďalšej časti.
Lekárske použitie
V modernej praktickej medicíne existujú tri hlavné oblasti použitia ultrazvuku rôznych frekvencií:
1. Diagnostické.
2. Terapeutické.
3. Chirurgický.
Pozrime sa bližšie na každú z týchto troch oblastí.
Diagnostika
Jednou z najmodernejších a najinformatívnejších metód lekárskej diagnostiky je ultrazvuk. Jeho nesporné výhody sú: minimálny dopad na ľudské tkanivá a vysoký informačný obsah.
Ako už bolo spomenuté, ultrazvuk sú zvukové vlny,šíri v homogénnom prostredí priamočiaro a konštantnou rýchlosťou. Ak sú na ich ceste oblasti s rôznymi akustickými hustotami, časť kmitov sa odráža a druhá časť sa láme, pričom pokračuje v priamočiarom pohybe. Čím väčší je teda rozdiel v hustote hraničného prostredia, tým viac sa odráža ultrazvukové vibrácie. Moderné metódy ultrazvukového vyšetrenia možno rozdeliť na lokalizačné a priesvitné.
Ultrazvuková poloha
V procese takejto štúdie sa zaznamenávajú impulzy odrazené od hraníc médií s rôznou akustickou hustotou. Pomocou pohyblivého senzora môžete nastaviť veľkosť, umiestnenie a tvar skúmaného objektu.
Priesvitné
Táto metóda je založená na skutočnosti, že rôzne tkanivá ľudského tela absorbujú ultrazvuk rôzne. Počas štúdia akéhokoľvek vnútorného orgánu sa do neho nasmeruje vlna s určitou intenzitou, po ktorej sa prenášaný signál zaznamená zo zadnej strany špeciálnym snímačom. Obraz snímaného objektu je reprodukovaný na základe zmeny intenzity signálu na „vstupe“a „výstupe“. Prijaté informácie spracuje a prevedie počítač vo forme echogramu (krivky) alebo sonogramu - dvojrozmerného obrazu.
Dopplerova metóda
Ide o najaktívnejšie sa rozvíjajúcu diagnostickú metódu, ktorá využíva pulzný aj kontinuálny ultrazvuk. Dopplerografia je široko používaná v pôrodníctve, kardiológii a onkológii, pretože to umožňujesledovať aj tie najmenšie zmeny v kapilárach a malých krvných cievach.
Oblasti použitia diagnostiky
V súčasnosti sa ultrazvukové zobrazovanie a meracie metódy najčastejšie používajú v medicínskych odboroch, ako sú:
- pôrodníctvo;
- oftalmológia;
- kardiológia;
- neurológia novorodencov a dojčiat;
- vyšetrenie vnútorných orgánov:
- ultrazvuk obličiek;
- pečeň;
- žlčník a vývody;
- ženský reprodukčný systém;
diagnostika vonkajších a povrchových orgánov (štítna žľaza a mliečne žľazy)
Použitie v terapii
Hlavný terapeutický účinok ultrazvuku spočíva v jeho schopnosti prenikať do ľudských tkanív, prehrievať ich a prehrievať a vykonávať mikromasáž jednotlivých oblastí. Ultrazvuk je možné použiť na priame aj nepriame účinky na ohnisko bolesti. Navyše za určitých podmienok majú tieto vlny baktericídny, protizápalový, analgetický a antispazmodický účinok. Ultrazvuk používaný na terapeutické účely je podmienene rozdelený na vibrácie vysokej a nízkej intenzity.
Na stimuláciu fyziologických reakcií alebo mierneho, neškodiaceho zahrievania sa najčastejšie používajú vlny nízkej intenzity. Ultrazvuková liečba preukázala pozitívne výsledky pri ochoreniach ako:
- artritída;
- artritída;
- myalgia;
- spondylitis;
- neuralgia;
- varikózne a trofické vredy;
- Ankylozujúca spondylitída;
- obliterujúca endarteritída.
Prebiehajú štúdie, ktoré využívajú ultrazvuk na liečbu Meniérovej choroby, emfyzému, dvanástnikových a žalúdočných vredov, astmy, otosklerózy.
Ultrazvuková chirurgia
Moderná chirurgia využívajúca ultrazvukové vlny je rozdelená do dvoch oblastí:
- selektívne ničenie tkanivových oblastí špeciálnymi kontrolovanými ultrazvukovými vlnami vysokej intenzity s frekvenciami od 106 do 107 Hz;
- pomocou chirurgického nástroja so superponovanými ultrazvukovými vibráciami od 20 do 75 kHz.
Príkladom selektívnej ultrazvukovej chirurgie je drvenie kameňov ultrazvukom v obličkách. V procese takejto neinvazívnej operácie pôsobí ultrazvuková vlna na kameň cez kožu, teda mimo ľudského tela.
Bohužiaľ, táto chirurgická metóda má množstvo obmedzení. Ultrazvukové drvenie nepoužívajte v nasledujúcich prípadoch:
- tehotné ženy kedykoľvek;
- ak je priemer kameňov väčší ako dva centimetre;
- na akékoľvek infekčné choroby;
- pri chorobách, ktoré narúšajú normálnu zrážanlivosť krvi;
- v prípade závažných kostných lézií.
Napriek tomu, že odstránenie obličkových kameňov ultrazvukom prebieha bez operácierezy, je to dosť bolestivé a vykonáva sa v celkovej alebo lokálnej anestézii.
Chirurgické ultrazvukové nástroje sa používajú nielen na menej bolestivú disekciu kostí a mäkkých tkanív, ale aj na zníženie straty krvi.
Poďme obrátiť našu pozornosť na zubné lekárstvo. Ultrazvuk odstraňuje zubné kamene menej bolestivo a všetky ostatné manipulácie lekára znášajú oveľa ľahšie. Okrem toho sa v traumatologickej a ortopedickej praxi používa ultrazvuk na obnovenie integrity zlomených kostí. Pri takýchto operáciách je priestor medzi úlomkami kostí vyplnený špeciálnou zmesou pozostávajúcou z kostných triesok a špeciálneho tekutého plastu a potom je vystavený ultrazvuku, vďaka čomu sú všetky komponenty pevne spojené. Tí, ktorí podstúpili chirurgické zákroky, počas ktorých sa použil ultrazvuk, nechávajú rôzne recenzie - pozitívne aj negatívne. Treba však poznamenať, že spokojných pacientov je stále viac!
