Ультразвук и его применение в медицине

Для оценки энергии звукового поля определена величина, называемая интенсивностью звука. Интенсивность — количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через площадку 1 см², перпендикулярно к направлению распространения.

При распространении плоских ультразвуковых волн в среде часть энергии  затрачивается на преодоление необратимых  потерь, (например, вязкости материала). Такой процесс носит название «поглощение ультразвука», когда  энергия переходит в тепло, нагревая среду.

Если  распространяющаяся волна попадает на границу раздела между двумя  средами, то часть ультразвуковой энергии  проходит во вторую среду, а другая отражается обратно. Распределение  энергии между прошедшей и  отраженной энергией зависит от соотношения  акустических сопротивлений двух сред.

Специфические свойства ультразвуковых колебаний  для воздействия на биологические  ткани заключаются в следующем:

— отмечается   высокая   интенсивность   энергии   с максимальными амплитудами колебаний;

— звуковое радиационное давление появляется в поле продольных звуковых волн с  конечными амплитудами смещения. Давление всегда направлено от среды  с большей плотностью к среде  с наименьшей;

— возникает кавитация: процесс разрыва  жидкости под действием растягивающихся  напряжений с образованием газовых  полостей;

— наблюдается нагрев тканей под действием  ультразвука.

Основной  параметр ультразвуковых колебаний, определяющий биологическое воздействие, — интенсивность  ультразвука. Величина интенсивности  определяет степень разрушения биологических  структур.

Время воздействия ультразвука тоже играет немаловажную роль.

С увеличением времени воздействия  свыше 10 минут при средней интенсивности  ультразвук может вызвать необратимые  изменения в клетках и разрушение живых тканей. Импульсивный режим  действия источника колебаний позволяет  удлинить время воздействия (до 20 мин) без существенных морфологических  изменений в биологических тканях.

Величина  поглощения ультразвуковой энергии  зависит от гистологического строения тканей. Поглощение в жировых тканях, например, меньше, чем в обычных. Значительное поглощение отмечается в ателектазированных легких, а хрящи и мышцы обладают более высокими значениями коэффициента затухания, чем паренхиматозные ткани. Коэффициент поглощения ультразвуковой энергии зависит и от направления введения ультразвука по отношению к направлению коллагеновых волокон. Кость имеет максимальный коэффициент поглощения, а следовательно, при ультразвуковом распиливании в ней выделяется наибольшее количество тепла.

При высокой частоте ультразвуковых волн больше образуется тепла на поверхности  раздела мягкая ткань — кость. При этом примерно 40% ультразвуковой энергий отражается в тканях.

Кавитация в мягких тканях крайне затруднена из-за большой вязкости тканевых жидкостей  и большей концентрации клеток в  них. Кавитация в кровеносных  сосудах возникает легче, нежели в других тканях.

Для объяснения механизма действия ультразвуковых волн в последнее время появились  новые гипотезы, теоретические основы которых связаны с акустическими  течениями. Для врачей и биологов представляет интерес возникновение   акустических   течений в слое жидкости,   граничащей с колеблющимся   ультразвуковым инструментом. Цитологические и функциональные изменения клеток, вызываемые ультразвуковыми волнами, обусловлены возникновением микроскопических течений на границе клетка — жидкость и внутри клеток. Характер и форма микроскопических течений зависят не только от интенсивности ультразвука, но и от вязкости цитоплазмы и ряда других физических параметров такой сложной системы, как живая клетка.

При использовании ультразвуковых колебаний  для воздействия на мягкие ткани  и осуществления процесса их рассечения необходимо учитывать как биологические  свойства самой ткани, так и физические параметры ультразвука.

Ультразвук как упругие  волны

 
УЗ волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром , где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость  распространения УЗ волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

• нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;
• изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;
• при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения  нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны. Параметр М - так называемое «число Маха».

Специфические особенности ультразвука

Хотя  физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены  относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и  концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления  световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см². Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

Источники и приемники ультразвука.

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Механические  излучатели.

В излучателях первого типа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи, при натекании ее на препятствия различного вида (газоструйные генераторы, свистки).

УЗ  сирена – два диска с большим  количеством отверстий, помещенные в камеру (рис. 1). Поступающий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его отверстия будут совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора (2) только в определенные моменты времени. В результате возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, которая определяется по формуле:

,

где N – число отверстий, равнораспределенных  по окружности ротора и статора; w - угловая скорость ротора.

Давление  в камере сирен обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см². Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 40¸50 кГц, однако известны конструкции с верхним пределом 500 кГц. КПД генераторов не превышает 60%. Так как источником излучаемого сиреной звука являются импульсы газа, вытекающего из отверстий, частотный спектр сирен определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальных колебаний используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которыми равны их диаметру. При отверстиях прямоугольной формы, отстоящих друг от друга на ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения нескольких роторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями расположенными неравномерно и разной формы, можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сирен может достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.

Принцип действия УЗ генератора-свистка почти  такой же, как и обычного милицейского свистка, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. При помощи такого генератора можно создавать колебания с частотой до 100 кГц при относительно небольшой мощности. Для получения больших мощностей применяют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения газа выше. Жидкостные генераторы применяют для излучения УЗ в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 2) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором возбуждаются изгибные колебания.