Ультразвук і його застосування

1.Вступ

2.Ультразвук

3.Зародження  ультразвукових теорій та перші  ультразвукові діагностичні пристрої

4.Основні властивості ультразвукових хвиль.

 5.Використання і класифікація

6.Вплив ультразвуку  на здоров`я людини.

7.Висновки

8.Список використаних джерел

Вступ

             З розвитком науки і техніки ультразвук знайшов своє застосування у різних галузях.

Останнім часом усе  більш широке поширення знаходять  технологічні процеси, засновані на використанні енергії ультразвуку. Ультразвук знайшов також застосування в медицині.

Ультразвуком називають  механічні коливання пружного середовища з частотою, що перевищує верхню межу чутності -20 кгц. Одиницею виміру рівня звукового тиску є дБ. Одиницею виміру інтенсивності ультразвуку  є ват на квадратний сантиметр (Ут/див²).

За останні 40 років, ультразвук став важливою діагностичною методикою  та інструментом в медицині. Його потенціал  був визнаний у 1930-их і 1940-і, коли Теодор Дуссік і його брат Фрідріх спробували використовувати ультразвук для  того, щоб діагностувати пухлини  мозку. Однак тільки в 1970-их, робота цих і інших піонерів досліджень ультразвуку реально принесла плоди.

     Дуглас Хаурі першопрохідник 1940-их років, зіграв важливу роль у розвитку ультразвуку й ультразвукових пристроїв. Хаурі сконцентрував свою увагу на розвитку устаткування і прикладної теорії ультразвуку. Хоча його початкова робота привела до створення ультразвукової машини, що робила недостатньо оптимальні зображення, остаточна мета Хоурі полягала в тому, щоб зробити більш витончений прилад, що був би "в певній мірі, порівнянним з фактично великою кількістю зрізів структур, що робляться, у лабораторії патології."

У 1951, Хоурі познайомився з Джозефом Холмесом, неврологом в Адміністративній лікарні Ветеранів у Денвері. Холмес зіграв ведучу роль в одержанні  інституційної підтримки, що дала можливість Хоурі продовжити його дослідження  на устаткуванні Денвера. За наступні кілька років, Хоурі прагнув усувати  тіні, і відображення сторонніх ехосигналів, що перешкоджали поколінню якісних  ультразвукових зображень.

Хоурі довідався, що зображення режиму "B" відображали тільки відображення від поверхонь роздягнула тканини, що були перпендикулярні до ультразвукового  променя. З огляду на неправильні  поверхні внутрішньочеревних органів, були необхідні множинні зображення з декількох різних кутів для  того, щоб зробити цілісне зображення чіткої якості. Крім того, Хоурі знайшов, що високо відбивають тканини, наприклад  кістки, дають тіні, що затінювали структури  які знаходилися глибше, наприклад, коли тіні від ребра затемнюють зображення селезінки. Щоб виправляти цю проблему, Хоури побудував "сомаскоп", перший складний периферичний сканер. Цей  пристрій, побудований у 1954, мав датчик, встановлений на обертовому кільцевому механізмі гарматної турелі від B-29. Датчик був установлений навколо  краю великої металевої чаші, заповненої водою, що служила як імерсійна ванна. Один мотор використовувався, щоб  плавати навколо ванни, у той час як інший робив кулісний рух, отже деформуючи численні накладені одне на інше ультразвукові зображення від різних кутів. "Реальні" зображення чи з великою амплітудою зберігалися в ультразвуковій системі іммерсійної ванни. На резервуарі для домашньої худоби був розміщений датчик, що був установлений на дерев'яній поперечині (стрілі) і горизонтально переміщався по цій поперечині.

Вторинні відображення, були усунуті. Хоча сканер зробив зображення прийнятної якості, він вимагав, щоб пацієнт  залишався зануреним і нерухомим  протягом довгих періодів, і тому був  визнаний непрактичним для використання в клінічних умовах.

Наприкінці 1950-их, Хоурі з колегами розробив ультразвуковий сканер з напівкруглої кювети, що має пластмасове вікно. Пацієнт був пристібнутий ременем  до пластмасового вікна і, хоча він  не був занурений у воду, пацієнт  все ще повинен був залишитися нерухомим протягом довгого часу. На початку 1960-их, В. Райт і E. Мієрс приєдналися  до дослідницької групи Хоурі, щоб  сконцентруватися на цій властивій  проблемі із системою сполуки водяного термостата. Результатом цих зусиль групи було виробництво прямоконтактного сканера.

У 1961р. Мієрс і Райт з'єдналися, щоб  утворити Physionics Engineering, і протягом року зробили прототип першого переносного  контактного сканера в Сполучених Штатах. У цього сканера був шарнірний маніпулятор з позиціонуванням механізмів у кожній сполуці, для об'єднання інформації, отриманої від датчика. "Кюветний сканер" Хоурі - Пацієнт сидів у видозміненому стоматологічному кріслі і був закріплений напроти пластмасового вікна напівкруглої кювети, заповненою сіллю.

Протягом цього ж самого часу, Ян Дональд керував дослідженням ультразвуку в Англії. Дональд  був видатний ветеран Королівських Повітряних сил у Другій Світовій Війні, що познайомився з гідролокаційним  і радарним устаткуванням під  час військової служби. У 1955, як член штату Акушерства і Гінекології  в університеті м.Глазго, Дональд  запозичав металевий дефектоскоп  у місцевого виробника і використовував його для того, щоб досліджувати патологічні екземпляри. З цією машиною  ультразвуку, Дональд зумів диференціювати різні типи тканини в недавно  висічених фіброідах і оваріальних  кистах. З цього скромного початку, він і інший гінеколог, Джон Маквікар, поряд з Томом Броуном, інженером  з Кельвін і Хугес Наукової Інструментальної Компанії, розробив перший контактний складений сканер.

У червні 1958, Дональд видав статті " Дослідження черевних мас імпульсним ультразвуком", що з'явилася віхою  в ультразвуці. Ця робота описує випадок, у якому використання ультразвуку  кардинально змінило лікування 64-літньої  жінки, у якої були болі в животі, утрата ваги, і в який передбачувався асцит. Після проведення звичайних тестів, вона була діаностована з прогресуючим шлунковим раком, але Дональд за допомогою ультразвуку діагностував цистну масу, що була пізніше успішно резектована і знайшов, що це доброякісна слизувата оваріальна киста.

 Основні властивості ультразвукових хвиль  та їх застосування

Механічні хвилі, частота яких перевищує 20 кГц називаються ультразвуком (УЗ). Ультразвукові хвилі – повздовжні хвилі, які являють собою періодичне чередування зон стиснення і розрідження частинок середовища (рис. 1).

Рис. 1.

Основні характеристики ультразвуку: частота v, циклічна частота ω  та, період Т (Т = 1/v ), швидкість υ, довжина хвилі λ (λ= υ/v), амплітуда А, інтенсивність І ( , р — густина середовища), акустичний тиск Р ( ).

Ультразвук має ряд специфічних властивостей, які визначають його широке використання в різних сферах людської діяльності. Ці особливості зумовлені високою частотою і, відповідно, малою довжиною хвилі, що визначає променевий характер розповсюдження ультразвуку, а також можливістю досягнення великих значень інтенсивності.

На відміну від звичайних звуків ультразвуки мають значно меншу довжину хвиль. Внаслідок цього вони дають ультразвукові тіні і їх можна одержати у вигляді вузьких пучків, які за аналогією із світловими прийнято називати ультравуковими пучками. Таким чином, можна вважати, що ультразвук поширюється в однорідному середовищі прямолінійно, не огинає перешкод, розміри яких значно перевищують довжину хвилі.

  З ультразвуком, як і з іншими видами хвиль, спостерігаються заломлення, відбивання, дифракція та поглинання.

  При заломленні та падінні ультразвукових хвиль під кутом відбувається цікаве явище – утворення продольних і поперечних хвиль одночасно.

  Найкраще ультразвук поглинається газами, тілами з малою пружністю (пластмаси), пористими тілами (гума, корок), гірше – рідинами, найгірше – твердими тілами.

  Ультразвук дуже широко використовується в технологіях. Існують ультразвукові різання, зварювання, паяння, лудіння, чищення, уловлювання пилу і туману, прискорення технологічних процесів, готування суспензій і емульсій, контроль якості, бачення, ехолокація і т.д. Використовується також ультразвук у хімії, металургії, електроніці та медицині. Далі йтиметься мова тільки про використання в медицині.

На практиці ультразвук найчастіше одержують за допомогою магнітострикційних і п'єзоелектричних випромінювачів.

Магнітострикційний випромінювач використовується для отримання низькочастотних ультразвуків (до 200 кГц). Їх дія основана на явищі магнітострикції в змінному магнітному полі. Явище магнітострикції полягає в зміні об'єму і форми феромагнетика при його намагнічуванні. Якщо стержень з феромагнетика (залізо, нікель, залізо-нікельовий сплав або ферити) помістити в магнітне поле соленоїда, то він, у відповідності з частотою зміни напряму поля, буде періодично змінювати свою довжину (скорочуватися або видовжуватися), тобто відбуватимуться магнітострикційні коливання. Кінці стержня будуть випромінювати в середовище ультразвукові коливання. При співпаданні частоти коливань вектора індукції магнітного поля з власною частотою механічних коливань стержня, амплітуда коливань останнього досягає максимального значення (явище резонансу).

П'єзоелектричні випромінювачі використовуються для генерації ультразвуків з частотою більшою 200 кГц. Їх дія основана на явищі п'єзоелектричного ефекту. П'єзоефект спостерігається в кварці (SiO₂), титанаті барію (ВаТіО₃), сегнетовій солі, турмаліні та в інших речовинах, об'єднаних спільною назвою «п'єзоелектрики». Суть прямого п'єзоефекту полягає в тому, що при механічних деформаціях деяких кристалів в певних напрямках на їх гранях з'являються електричні заряди протилежних знаків. Обернений п'єзоелектричний ефект полягає в зміні лінійних розмірів кристалу п'єзоелектрика під дією змінного електричного поля, тобто відбуваються вимушені механічні коливання п'єзоелектрика. В кристалах існують певні напрямки, які називаються п'єзоелектричною віссю. В напрямку вісі кристали найбільше втискуються і розтягуються, причому їх деформація досягає найбільшого значення при співпаданні частоти коливання напруженості електричного поля з власною частотою механічних коливань п'єзоелектрика (явище резонансу).

В описаних вище методах коливання розмірів робочого тіла випромінювача (кінці стержня або грані кристалу) викликають в пружньому середовищі, яке до них дотикається, повздовжню ультразвукову хвилю.

Рис. 2.

Ультразвукова хвиля при проходженні через межу поділу двох середовищ частково відбивається і частково переходить у друге середовище (рис. 2).

За умови незначної відмінності акустичного опору середовищ у зоні дії, відбивання ультразвуку на межі цих середовищ незначне. Якщо є велика різниця акустичного опору, то падаюча хвиля повністю відбивається від межі середовищ. Так на межі повітря і біологічних тканин ультразвук відбивається на 99,7%. Цим продиктована основна умова методики ультразвукової терапії — щільний контакт аплікатора з ділянкою тіла, на яку впливають. З цією метою використовують так звані контактні середовища (воду, вазелінову, рослинну олію, гліцерин, мазі), які наносять на зону дії. Оскільки акустичні властивості цих середовищ і біологічних тканин подібні між собою, відбивання ультразвукових хвиль незначне (у межах від 0,1 До 1%).

Відбивання ультразвукових хвиль залежить і від кута їх падіння на зону дії. У разі збільшення кута падіння коефіцієнт відбивання зростає. Чим більше кут падіння відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Він може стати таким, за якого поширення ультразвуку повністю припиняється. Саме тому найліпшою передумовою передачі енергії тканинам є накладання випромінювача до шкіри всією його поверхнею.

 Ці явища характеризуються коефіцієнтами відбивання К_в і пропускання К_пр. Вони показують, яку частину інтенсивності падаючого ультразвукового променя І_п становлять інтенсивності І_в і І_пр відповідно відбитого променя і променя, що пройшов у друге середовище:

Ці коефіцієнти залежать від  співвідношення акустичних опорів (Z=ρυ) двох середовищ, які межують між собою. Таким чином, на межі поділу двох середовищ відбувається перерозподіл механічної енергії ультразвуку в залежності від акустичної густини середовищ (рис. 3), що лежить в основі ультразвукових методів дослідження у клініці. Основний принцип роботи будь-якого ультразвукового діагностичного приладу полягає у реєстрації відповідними способами відбитих від неоднорідностей внутрішніх органів і тканин організму УЗ променів.

Рис. 3.

Випромінювачі (датчики) УЗ відіграють дуже важливу роль в роботі ультразвукової медичної апаратури в цілому. Будова звичайного одноелементного датчика УЗ зображена на рис. 4.

Ультразвукові хвилі, які випромінюються звичайним датчиком, розповсюджуються на певній відстані  у вигляді  вузького паралельного пучка променів (рис. 5). На відстані  УЗ-промені починають відхилятись на деякий кут Θ.

Рис. 5.

Відстань l₀ залежить від радіуса датчика і довжини хвилі:

Так, наприклад, при використанні звичайного датчика діаметром 12 мм і частоти ультразвуку 2,22 МГц промені залишаються паралельними на відстані 6 см.

Для зменшення ступеня розходження променів використовують також фокусовані датчики з ультразвуковими лінзами (рис. 6).

Рис. 6.

Використання УЗ-лінз з різною кривизною  поверхні дозволяє створювати фокусну  зону на різних відстанях від датчиків.

Один і той самий датчик використовується для випромінювання УЗ і для прийняття відбитих від об'єкту УЗ променів. Збудження п'єзоелементів при цьому досягається імпульсними електричними сигналами, які складаються з високочастотних посилок і пауз між ними. В режимі посилки сигналів датчик випромінює УЗ, а в режимі паузи реєструє відбиті промені.

Важливою характеристикою ультразвукових приладів є роздільна здатність, яка визначається границею роздільності. Границя роздільності – мінімальна відстань між двома відбиваючими структурами, від яких можна роздільно зареєструвати два відбитих сигнали. Роздільна здатність залежить від частоти ультразвукових коливань.

Ультразвуковий промінь, який генерується датчиком, має максимальну інтенсивність в центрі пучка (рис. 7). В результаті цього роздільна здатність датчика різна по центру пучка і по його периферії.

Рис. 7.

В медичній практиці використовуються датчики, які генерують різні  частоти УЗ (1-10 МГц), мають різний діаметр (0,7-2 см) і фокусну відстань від 6 до 12-14 см.

Класифікація ультразвуку

• За способом передачі від джерела до людини  ультразвук

поділяють на:

     - повітряний, що передається через повітряне середовище;

     - контактний,  що  передається на руки працюючої людини через

тверде чи рідке середовище.

• За спектром ультразвук поділяють на:

     - низькочастотний,   коливання   якого   передаються   людині

повітряним  та  контактним шляхом (від 1,2х10 в ступ.4 до 1,0х10 в

ступ.5 Гц);

     - високочастотний,  коливання якого передаються людині тільки контактним шляхом(від 1,0х10 в ступ.5 до 1,0х10 в ступ.9 Гц)

Вплив ультразвуку  на здоров`я людини

Про вплив УЗ на здоров`я людини медики – теоретики і практики – категоричної відповіді не дають. Точніше, одні вважають ультразвук дуже ефективним і абсолютно безпечним, інші - навпаки.     Пояснити таку ситуацію можна в основному тим, що ультразвук прийшов у медицину зовсім недавно (матеріали 1987 р.) Отже, цілком природно, що багато проблем тут ще не знайшли остаточного розв’язання. Мають рацію ті спеціалісти, які наголошують на творчому підході до використання ультразвуку у медицині, бо в більшості випадків лікування і діагностики з його допомогою дають тільки позитивні результати. Важливо лише вірно підібрати розмір, дози, метод і прилади. Дозу, як правило, вибирають для середньої інтенсивності за тривалістю впливу ультразвуку. Частоту ультразвукових коливань обирають в залежності від глибини розташування хворого органа. Чим нижча частота, тим глибше проникають в тіло ультразвукові коливання.

  Надмірні дози ультразвуку на виробництві негативно впливають на організм людини. У тих, хто порушує правила техніки безпеки, може початися професійне захворювання. Тому опрацьовуються ефективні заходи по боротьбі з шкідливим впливом ультразвуку на людину.

Висновок

Отже, за останні роки ультразвук став важливою діагностичною методикою  і не тільки. 1950-і були важливим часом для ультразвуку. Багато які з досягнень в ультразвуковій технології, що мали місце протягом тієї декади, знайшли нові додатки в 1960-их і 1970-их. У 1955р. Йаффе знайшов п'єзоелектричні властивості поляризованих твердих розчинів свинцю, цірконату, титанату. Це важливе відкриття в кінцевому рахунку привело до зменшених і поліпшених ультразвукових датчиків Тайлинг із Кельнського університету, досліджував використання ультраехографії для оцінки торакса, заочеревинного простору, і інших внутрішньочеревних органів у середині 1980-их років. Хоча більшість ранніх досліджень було виконано в Європі й Азії, останнім часом використання ультразвуку хірургами стало більш популярним у Північній Америці.

Знайдеться досить багато дослідів, які так чи інакше пішли в перед  з пояснень та оформлень властивостей ультразвуку. Всі праці пророблені вченими  не були марними, адже багато розділів медицини покладені на використання ультразвуку. Тобто, винайденя ультразвуку стало ще одним важливим кроком на великому шляху досліджень у різних сферах наук.

Список використаних джерел

• Велика ілюстрована енциклопедія школяра – К.: «Махаон – Україна» , 2005р.-321ст.

• Фізика, 9 кл.: Підручник для серед, загальноосвіт. шк./ Є. В. Коршак,

О. І. Ляшенко, В. Ф. Савченко.—Київ; Ірпінь: ВТФ ≪Перун≫2000р- 217ст.

• Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента: Учеб. Пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. спец. – М.: 1984р.- 176ст.