Ультразвук і його застосування в медицині - студопедія
Ультразвуком (УЗ) називають механічні коливання і хвилі з частотами понад 20 кГц.
Для генерування УЗ використовуються пристрої, які називаються УЗ-випромінювачами. Найбільшого поширення набули елек-тромеханіческіе випромінювачі, засновані на явищі зворотного п'єзоелектричного ефекту (див. § 12.7). Зворотний п'єзоефект залежить від механічної деформації тіл під дією елект-рического поля. Основною частиною такого випромінювача (рис. 6.13, а) є пластина або стрижень 1 з речовини з добре виражений-ними п'єзоелектричні властивості (кварц, сегнетова сіль, ке-раміческій матеріал на основі титанату барію і ін.). На поверх-ність пластини у вигляді провідних шарів нанесені електроди 2. Якщо до електродів прикласти змінне електричне напруження-ня від генератора 3, то пластина завдяки зворотному п'єзоефект почне вібрувати, випромінюючи механічну хвилю відповідаю-щей частоти.
Найбільший ефект випромінювання механічної хвилі виникає при виконанні умови резонансу (див. § 5.5). Так, для пластин товщиною 1 мм резонанс виникає для кварцу на частоті 2,87 МГц, сегнетової солі - 1,5 МГц і титанату барію - 2,75 МГц.
Приймач УЗ можна створити на основі-ве п'єзоелектричного ефекту (пря-мій п'єзоефект). В цьому випадку під дією механічної хвилі (УЗ-хвилі) виникає деформація кристала (рис. 6.13, б), яка призводить при п'єзоефекті до генерації змінно-го електричного поля; відповідаю щее електрична напруга може бути виміряна.
Застосування УЗ в медицині пов'язано з особливостями його поширення і характерними властивостями. Рассмот-рим це питання.
За фізичну природу УЗ, як і звук, є механічною (пружною) хвилею. Однак довжина хвилі УЗ істотно менше довжини звуко-вої хвилі. Так, наприклад, у воді довжини хвиль рівні 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) і 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракція хвиль (див. § 19.5) істотно залежить від співвідношення довжини хвилі і розмірів тіл, на яких хвиля дифрагує. Непрозоре (для звуку) тіло розміром 1 му не буде перешкодою для звукової хвилі з довжиною 1,4 м, але стане перешкодою для УЗ-хвилі з довжиною 1,4 мм: виникне «УЗ-тінь». Це дозволяє в деяких випадках не враховувати-вать дифракцию УЗ-хвиль, розглядаючи при ламанні і відображення ци-ванні ці хвилі як промені (аналогічно заломлення і відбиття світлових променів).
Відображення УЗ на кордоні двох середовищ залежить від співвідношення їх хвильових опорів (див. § 6.4). Так, УЗ добре відбивається на кордонах м'яз - окістя - кістка, на поверхні по-лих органів і т. Д. Тому можна визначити розташування і розмір неоднорідних включень, порожнин, внутрішніх органів і т. П. (УЗ-локація). При УЗ-локації використовують як безперервного-ве, так і імпульсне випромінювання. У першому випадку досліджується стояча хвиля, що виникає при інтерференції падаючої і від-вираженої хвиль від кордону розділу. У другому випадку спостерігають відбитий імпульс і вимірюють час поширення ультра-звуку до досліджуваного об'єкта і назад. Знаючи швидкість розпрощався-поранення ультразвуку, визначають глибину залягання об'єкта.
Хвильовий опір біологічних середовищ в 3000 разів більше хвильового опору повітря. Тому якщо УЗ-випромінювач прикласти до тіла людини, то УЗ не проникне всередину, а буде від-ража через наявність тонкого шару повітря між випромінювачем і біологічним об'єктом (див. § 6.4). Щоб виключити воздуш-ний шар, поверхня УЗ-випромінювача покривають шаром масла.
Швидкість поширення ультразвукових хвиль і їх поглинені-ня суттєво залежать від стану середовища; на цьому засновано ис-користування ультразвуку для вивчення молекулярних властивостей ве-щества. Дослідження такого роду є предметом молекулами-лярной акустики.
Як видно з (5.56), інтенсивність хвилі пропорційна квадрату кругової частоти, тому можна отримати УЗ значи-тельной інтенсивності навіть при порівняно невеликій ампли-туде коливань. Прискорення частинок, що коливаються в УЗ-хвилі, також може бути великим [см. (5.14)], що говорить про наявність су-суспільних сил, що діють на частинки в біологічних тка-нях при опроміненні УЗ.
Стиснення і розрідження, створювані ультразвуком, призводять до утворення розривів суцільності рідини - кавітації.
Кавітації існують недовго і швидко закриваються, при цьому в невеликих обсягах виділяється значна енергія, відбувається розігрівання речовини, а також іонізація і Діссен-циация молекул.
Фізичні процеси, зумовлені впливом УЗ, викли-ють в біологічних об'єктах наступні основні ефекти:
- мікровібрації на клітинному і субклітинному рівні;
- перебудову і пошкодження біологічних мембран, зміна проникності мембран (див. гл. 11);
- руйнування клітин і мікроорганізмів.
Медико-біологічні додатки ультразвуку можна в ос-новному розділити на два напрямки: методи, діагностики і дослідження та методи впливу.
До першого напряму відносяться локаційні методи із використанням користуванням головним чином імпульсного випромінювання. Це ех-енцефалографія - визначення пухлин і набряку головного моз-га (на рис. 6.14 показаний ехоенцефалографії «Ехо-12»); ультразвуко-ковая кардиография - вимірювання розмірів серця в динаміці; в офтальмології - ультразвукова локація для визначення розмірів очних середовищ. За допомогою ультразвукового ефекту До-плером вивчають характер руху серцевих клапанів і виміряти-ють швидкість кровотоку. З діагностичною метою за швидкістю ультразвуку знаходять щільність зрослої або пошкодженої кістки.
До другого напряму відноситься ультразвукова фізіо-терапія. На рис. 6.15 показаний використовуваний для цих цілей ап-Параті УТП-ЗМ. Вплив ультразвуком на пацієнта вироб-дять за допомогою спеціальної випромінювальної головки апарату
Зазвичай для терапевтичних цілей застосовують ультразвук часто-тій 800 кГц, середня його інтенсивність близько 1 Вт / см 2 і менше.
Первинними механізмами ультразвукової терапії є механічне і теплове дії на тканину.
При операціях ультразвук застосовують як «ультразвуковий скальпель», здатний розсікати і м'які, і кісткові тканини.
Здатність ультразвуку дробити тіла, поміщені в жид-кістка, і створювати емульсії використовується у фармацевтичній промисловості при виготовленні ліків. При лікуванні таких захворювань, як туберкульоз, бронхіальна астма, катар верхніх дихальних шляхів, застосовують аерозолі різних лікарських-них речовин, отримані за допомогою ультразвуку.
В даний час розроблений новий метод «зварювання» по-врежденних або трансплантуються кісткових тканин за допомогою ультразвуку (ультразвуковий остеосинтез).
Згубний вплив ультразвуку на мікроорганізми ис-користується для стерилізації.
Цікаво застосування ультразвуку для сліпих. Завдяки ультразвукової локації за допомогою портативного приладу «Орі-ентір» можна виявляти предмети і визначати їх характер на відстані до 10 м.
Перераховані приклади не вичерпують всіх медико-біоло-гічних застосувань ультразвуку, перспектива розширення цих додатків справді величезна. Так, можна очікувати, напри-заходів, появи принципово нових методів діагностики з впровадженням в медицину ультразвукової голографії (див. § 19.8).