Uprkos činjenici da je proučavanje ultrazvučnih talasa počelo prije više od stotinu godina, tek u posljednjih pola stoljeća oni su se široko koristili u različitim poljima ljudske aktivnosti. To je zbog aktivnog razvoja kvantnog i nelinearnog dijela akustike, kvantne elektronike i fizike čvrstog stanja. Danas ultrazvuk nije samo oznaka visokofrekventnog područja akustičnih talasa, već čitav naučni pravac u savremenoj fizici i biologiji, koji je povezan sa industrijskim, informacionim i mernim tehnologijama, kao i dijagnostičkim, hirurškim i terapijskim metodama. moderna medicina.
Šta je ovo?
Svi zvučni talasi se mogu podeliti na one koji su čujni za čoveka - to su frekvencije od 16 do 18 hiljada Hz, i one koji su izvan opsega ljudske percepcije - infracrvene i ultrazvuk. Pod infrazvukom se podrazumijevaju valovi slični zvuku, ali sa frekvencijama nižim od onih koje percipira ljudsko uho. Gornja granica infrazvučne regije je 16 Hz, a donja granica je 0,001 Hz.
Ultrazvuk- i to su zvučni talasi, ali samo je njihova frekvencija veća od one koju ljudski slušni aparat može da percipira. U pravilu, to su frekvencije od 20 do 106 kHz. Njihova gornja granica zavisi od sredine u kojoj se ovi talasi šire. Dakle, u gasovitom mediju, granica je 106 kHz, au čvrstim i tekućinama dostiže 1010 kHz. Ultrazvučne komponente su u buci kiše, vjetra ili vodopada, pražnjenju groma i šuštanju kamenčića koje je valjao morski val. Zahvaljujući sposobnosti percepcije i analize ultrazvučnih talasa, kitovi i delfini, slepi miševi i noćni insekti se orijentišu u prostoru.
Malo istorije
Prva istraživanja ultrazvuka (SAD) izveo je početkom 19. veka francuski naučnik F. Savart, koji je nastojao da otkrije gornju frekvencijsku granicu čujnosti ljudskog slušnog aparata. U budućnosti su se proučavanjem ultrazvučnih talasa bavili poznati naučnici kao što su Nemac V. Vin, Englez F. G alton, Rus P. Lebedev i grupa studenata.
1916. godine, francuski fizičar P. Langevin, u saradnji sa ruskim emigrantskim naučnikom Konstantinom Šilovskim, uspeo je da koristi kvarc za prijem i emitovanje ultrazvuka za morska merenja i otkrivanje podvodnih objekata, što je omogućilo istraživačima da stvore prve sonar, koji se sastoji od predajnika i prijemnika ultrazvuka.
Godine 1925, Amerikanac W. Pierce stvorio je uređaj, danas nazvan Pierce interferometar, koji mjeri brzine i apsorpciju sa velikom preciznošćuultrazvuk u tečnim i gasovitim medijima. Godine 1928. sovjetski naučnik S. Sokolov je prvi koristio ultrazvučne talase za otkrivanje različitih defekata u čvrstim materijama, uključujući i metalne.
U poslijeratnim 50-60-im godinama, na osnovu teoretskog razvoja tima sovjetskih naučnika na čelu sa L. D. Rozenbergom, ultrazvuk je počeo da se široko koristi u različitim industrijskim i tehnološkim poljima. Istovremeno, zahvaljujući radu britanskih i američkih naučnika, kao i istraživanjima sovjetskih istraživača kao što su R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov i mnogi drugi, takva naučna disciplina kao što je nelinearna akustika se brzo razvija.
Približno u isto vrijeme napravljeni su prvi američki pokušaji upotrebe ultrazvuka u medicini.
Sovjetski naučnik Sokolov krajem četrdesetih godina prošlog veka razvio je teorijski opis instrumenta dizajniranog da vizualizuje neprozirne objekte - "ultrazvučni" mikroskop. Na osnovu ovih radova, sredinom 70-ih, stručnjaci sa Univerziteta Stanford kreirali su prototip skenirajućeg akustičnog mikroskopa.
Karakteristike
Imajući zajedničku prirodu, talasi čujnog opsega, kao i ultrazvučni talasi, poštuju fizičke zakone. Ali ultrazvuk ima brojne karakteristike koje mu omogućavaju široku primenu u različitim oblastima nauke, medicine i tehnologije:
1. Mala talasna dužina. Za najniži ultrazvučni opseg, on ne prelazi nekoliko centimetara, što uzrokuje zračnu prirodu širenja signala. Istovremeno, talasfokusiran i propagiran linearnim snopovima.
2. Beznačajan period oscilovanja, zbog kojeg se ultrazvuk može emitovati u impulsima.
3. U različitim okruženjima ultrazvučne vibracije sa talasnom dužinom ne većom od 10 mm imaju svojstva slična svetlosnim zracima, što omogućava fokusiranje vibracija, formiranje usmerenog zračenja, odnosno ne samo da šalje energiju u pravom smeru, već je i koncentriše u potreban volumen.
4. Sa malom amplitudom moguće je dobiti visoke vrijednosti energije vibracije, što omogućava stvaranje visokoenergetskih ultrazvučnih polja i zraka bez upotrebe velike opreme.
5. Pod uticajem ultrazvuka na okolinu dolazi do brojnih specifičnih fizičkih, bioloških, hemijskih i medicinskih efekata, kao što su:
- disperzija;
- kavitacija;
- degasiranje;
- lokalno grijanje;
- dezinfekcija i još mnogo toga. ostali
Pregledi
Sve ultrazvučne frekvencije su podijeljene u tri tipa:
- ULF - nizak, sa opsegom od 20 do 100 kHz;
- MF - srednji opseg - od 0,1 do 10 MHz;
- UZVCh - visoke frekvencije - od 10 do 1000 MHz.
Danas je praktična upotreba ultrazvuka prvenstveno upotreba talasa niskog intenziteta za merenje, kontrolu i proučavanje unutrašnje strukture različitih materijala i proizvoda. Visoke frekvencije se koriste za aktivno djelovanje na različite tvari, što vam omogućava da promijenite njihova svojstvai strukturu. Dijagnostika i liječenje mnogih bolesti ultrazvukom (koristeći različite frekvencije) je posebna oblast moderne medicine koja se aktivno razvija.
Gdje se primjenjuje?
Posljednjih decenija za ultrazvuk se ne zanimaju samo naučni teoretičari, već i praktičari koji ga sve više uvode u različite vrste ljudskih aktivnosti. Danas se ultrazvučne jedinice koriste za:
| Dobijanje informacija o supstancama i materijalima | Događaji | Frekvencija u kHz | ||
| od | do | |||
| Istraživanje sastava i svojstava supstanci | čvrsta tijela | 10 | 106 | |
| tečnosti | 103 | 105 | ||
| gasovi | 10 | 103 | ||
| Kontrolne veličine i nivoi | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopija | 100 | 105 | ||
| Medicinska dijagnostika | 103 | 105 | ||
|
Uticaji o supstancama |
Lemljenje i oblaganje | 10 | 100 | |
| Zavarivanje | 10 | 100 | ||
| Plastična deformacija | 10 | 100 | ||
| Machining | 10 | 100 | ||
| Emulzifikacija | 10 | 104 | ||
| Kristalizacija | 10 | 100 | ||
| Sprej | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosol koagulacija | 1 | 100 | ||
| Disperzija | 10 | 100 | ||
| Čišćenje | 10 | 100 | ||
| Hemijski procesi | 10 | 100 | ||
| Utjecaj na sagorijevanje | 1 | 100 | ||
| Operacija | 10 do 100 | 103 do 104 | ||
| Terapija | 103 | 104 | ||
| Obrada i upravljanje signalom | Akustoelektronski pretvarači | 103 | 107 | |
| Filteri | 10 | 105 | ||
| Linije kašnjenja | 103 | 107 | ||
| Akusto-optički uređaji | 100 | 105 | ||
U današnjem svijetu ultrazvuk je važan tehnološki alat u industrijama kao što su:
- metalurški;
- chemical;
- poljoprivredni;
- tekstil;
- hrana;
- farmakološki;
- proizvodnja mašina i instrumenata;
- petrokemijska, rafinerija i ostalo.
Pored toga, ultrazvuk se sve više koristi u medicini. To je ono o čemu ćemo pričati u sljedećem odjeljku.
Medicinska upotreba
U savremenoj praktičnoj medicini postoje tri glavna područja upotrebe ultrazvuka različitih frekvencija:
1. Dijagnostika.
2. Terapeutski.
3. Hirurški.
Pogledajmo bliže svaku od ova tri područja.
Dijagnoza
Jedna od najsavremenijih i najinformativnijih metoda medicinske dijagnostike je ultrazvuk. Njegove nesumnjive prednosti su: minimalan uticaj na ljudska tkiva i visok sadržaj informacija.
Kao što je već pomenuto, ultrazvuk je zvučni talas,šireći se u homogenom mediju pravolinijski i konstantnom brzinom. Ako se na putu nalaze područja različite akustičke gustoće, tada se dio oscilacija reflektira, a drugi dio lomi, nastavljajući svoje pravolinijsko kretanje. Dakle, što je veća razlika u gustoći graničnog medija, to se više ultrazvučnih vibracija reflektuje. Savremene metode ultrazvučnog pregleda mogu se podijeliti na lokacijske i translucentne.
Ultrazvučna lokacija
U procesu takve studije snimaju se impulsi reflektirani od granica medija različite akustične gustine. Uz pomoć pokretnog senzora možete podesiti veličinu, lokaciju i oblik objekta koji se proučava.
Translucent
Ova metoda se zasniva na činjenici da različita tkiva ljudskog tijela različito apsorbuju ultrazvuk. Prilikom proučavanja bilo kojeg unutrašnjeg organa, u njega se usmjerava val određenog intenziteta, nakon čega se preneseni signal snima sa poleđine posebnim senzorom. Slika skeniranog objekta se reprodukuje na osnovu promene intenziteta signala na "ulazu" i "izlazu". Primljene informacije kompjuterski obrađuje i konvertuje u obliku ehograma (krive) ili sonograma - dvodimenzionalne slike.
Doppler metoda
Ovo je dijagnostička metoda koja se najaktivnije razvija, koja koristi i pulsni i kontinuirani ultrazvuk. Doplerografija ima široku primenu u akušerstvu, kardiologiji i onkologiji, koliko to dozvoljavapratite i najmanje promjene na kapilarama i malim krvnim sudovima.
Oblasti primjene dijagnostike
Danas se ultrazvučno snimanje i metode mjerenja najčešće koriste u medicinskim poljima kao što su:
- porodarstvo;
- oftalmologija;
- kardiologija;
- neurologija novorođenčadi i dojenčadi;
- pregled unutrašnjih organa:
- ultrazvuk bubrega;
- jetra;
- žučna kesa i kanali;
- ženski reproduktivni sistem;
dijagnoza vanjskih i površinskih organa (tiroidne i mliječne žlijezde)
Upotreba u terapiji
Glavni terapeutski efekat ultrazvuka je zbog njegove sposobnosti da prodre u ljudska tkiva, zagreje ih i zagreje, te izvrši mikromasažu pojedinih područja. Ultrazvuk se može koristiti i za direktne i indirektne efekte na žarište boli. Osim toga, pod određenim uvjetima, ovi valovi imaju baktericidno, protuupalno, analgetsko i antispazmodičko djelovanje. Ultrazvuk koji se koristi u terapeutske svrhe uslovno se deli na vibracije visokog i niskog intenziteta.
U pitanju su talasi niskog intenziteta koji se najčešće koriste za stimulisanje fizioloških reakcija ili blagog, neštetnog zagrevanja. Ultrazvučni tretman je pokazao pozitivne rezultate kod bolesti kao što su:
- artritis;
- artritis;
- myalgia;
- spondylitis;
- neuralgija;
- varikozni i trofični ulkusi;
- Ankilozirajući spondilitis;
- obliterirajući endarteritis.
U toku su studije koje koriste ultrazvuk za liječenje Menierove bolesti, emfizema, čira na dvanaestopalačnom crijevu i želucu, astme, otoskleroze.
Ultrazvučna hirurgija
Moderna hirurgija koja koristi ultrazvučne talase podeljena je na dve oblasti:
- selektivno uništavanje područja tkiva posebnim kontrolisanim ultrazvučnim talasima visokog intenziteta sa frekvencijama od 106 do 107 Hz;
- korištenjem hirurškog instrumenta sa superponiranim ultrazvučnim vibracijama od 20 do 75 kHz.
Primjer selektivne ultrazvučne operacije je drobljenje kamenca ultrazvukom u bubrezima. U procesu ovakve neinvazivne operacije ultrazvučni talas deluje na kamen kroz kožu, odnosno van ljudskog tela.
Nažalost, ova hirurška metoda ima niz ograničenja. Nemojte koristiti ultrazvučno drobljenje u sljedećim slučajevima:
- trudnice u bilo koje vrijeme;
- ako je prečnik kamenja veći od dva centimetra;
- za bilo koje zarazne bolesti;
- u prisustvu bolesti koje remete normalno zgrušavanje krvi;
- u slučaju teških lezija kostiju.
Uprkos činjenici da se uklanjanje kamena iz bubrega ultrazvukom vrši bez operacijerezove, prilično je bolno i izvodi se u opštoj ili lokalnoj anesteziji.
Hirurški ultrazvučni instrumenti se koriste ne samo za manje bolnu disekciju kostiju i mekih tkiva, već i za smanjenje gubitka krvi.
Skrenimo pažnju na stomatologiju. Ultrazvuk bezbolnije uklanja zubni kamen, a sve druge doktorske manipulacije mnogo lakše podnose. Osim toga, u traumatološkoj i ortopedskoj praksi ultrazvuk se koristi za vraćanje integriteta slomljenih kostiju. Prilikom takvih operacija, prostor između fragmenata kostiju se ispunjava posebnim spojem koji se sastoji od koštanih strugotina i posebne tekuće plastike, a zatim se izlaže ultrazvuku, zbog čega su sve komponente čvrsto povezane. Oni koji su bili podvrgnuti hirurškim intervencijama tokom kojih je korišten ultrazvuk ostavljaju različite kritike - pozitivne i negativne. Ipak, treba napomenuti da je još uvijek više zadovoljnih pacijenata!
