Главная страница
Навигация по странице:

  • Медицинские ультразвуковые генераторы.

  • взаимодействии со средой.

  • Физическое действие ультразвука и его характеристика.

  • Тепловое действие

  • Механическое действие

  • Физико-химическое действие

  • 5. Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека.

  • Биологическое действие ультразвука и его применение в биологии.

  • 1.05.Ультразвук.НИБ. 1.05.Ультразвук. Лекция 5 Ультразвук Составил Бабенко Н. И. 2010 г



    Скачать 173.5 Kb.
    НазваниеЛекция 5 Ультразвук Составил Бабенко Н. И. 2010 г
    Анкор1.05.Ультразвук.НИБ.doc
    Дата01.05.2017
    Размер173.5 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файла1.05.Ультразвук.НИБ.doc
    ТипЛекция
    #5666


    ЯГМА

    Медицинская физика


    Лечебный факультет
    1 курс

    1 семестр

    1 поток
    Лекция № 5


    «Ультразвук»
    Составил: Бабенко Н.И.


    2010 г.



    1. Ультразвук и его получение. Излучатели ультразвука.


    Ультразвук — это механические колебания, частотой свыше 20 000 Гц, которые распространяются в упругих средах в виде продольных волн. Источники ультразвука бывают:

    1. Естественные:

    живые;

    неживые.

    2. Искусственные:

    акустикомеханические преобразователи;

    электроакустические преобразователи (пьезоэлектрические, магнитострикционные).

    Естественные источники ультразвука - это источники не созданные руками человека и самостоятельно существующие в природе.

    Живые источники: кузнечики, сверчки, рыбы, летучие мыши, дельфины. Неживые источники: ветер, обвалы в горах, землетрясения.

    Искусственные источники ультразвука называются акустическими преобразователями, т. к. они преобразуют механическую или электрическую энергию в энергию ультразвуковых колебаний.

    Акустикомеханические преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания возникают при прерывании потока жидкости или газа. Примеры: свисток Гальтона, ультразвуковая сирена.

    Электроакустические преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания возникают при действии на некоторые вещества переменных электрических или магнитных полей.

    Пьезоэлектрические преобразователи (пьезо - давлю) — такие преобразователи, которые для получения ультразвука используют явление обратного пьезоэффекта.

    Пьезоэффект бывает прямой и обратный.

    Прямой пьезоэффект заключается в появлении на поверхности некоторых кристаллов ( пьезодиэлектриков ) зарядов под действием механического напряжения (сжатие, растяжение, изгиб). Рис.1.

    При прямом пьезоэффекте:

    величина заряда на поверхности пропорциональна приложенному механическому напряжению;

    знак заряда определяется направлением механического воздействия.

    нет воздействия сжатие растяжение


    Рис.1

    Обратный пьезоэффект - это явление изменения размеров (деформации) диэлектрика при его помещении в переменное электрическое поле.

    Вещества с выраженными пьезоэлектрическими свойствами называются пьезоэлектриками или пьезодиэлектриками: сегнетова соль, титанат бария, кварц.

    Магнитострикционные преобразователи - это такие преобразователи, которые для получения ультразвука используют явление магнитострикции. Магнитострикция - это явление изменения форм (размеров) некоторых ферромагнитных веществ под действием переменного магнитного поля.

    К этим веществам относятся:

    - никель и его сплавы;

    - кобальт и его сплавы;

    - ферриты - керамические соединения на основе оксидов железа, никеля, цинка.

    Вещество в виде стержня помещают внутрь катушки. При подключении катушки к источнику переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, электрический ток воздействует на стержень своей магнитной составляющей и вызывает его деформацию (удлинение) с частотой тока. Рис.2


    Рис.2


    1. Медицинские ультразвуковые генераторы.


    Ультразвуковой генератор — это аппарат для получения и использования ультразвука.

    В медицине используются генераторы для диагностики (УЗИ), терапии и хирургии.

    Для диагностики используются генераторы, работающие на частоте 5-6 МГц, преобразователи у этих генераторов пьезоэлектрические.

    Для терапии используются генераторы, работающие на стандартной, выделенной радиокомитетом частоте 880 кГц, преобразователи у этих генераторов тоже пьезоэлектрические.

    Для хирургии применяются генераторы, работающие на частоте 30-40 МГц. Эти генераторы имеют магнитострикционные преобразователи.
    Устройство ультразвукового генератора.
    Ультразвуковой генератор состоит из двух основных частей:

    - генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты;

    - излучателя пьезоэлектрического или магнитострикционного типа.

    Генератор и излучатель соединены кабелем-проводом для подвода переменного напряжения ультразвуковой частоты от генератора к излучателю. Рис.3


    Рис.3
    Типичный пьезоэлектрический излучатель аппарата для терапии представляет собой пластмассовый корпус (1), в котором между двумя посеребрёнными круглыми тонкими электродами-пластинами (2) помещён пьезодиэлектрик ( титанат бария ). К электродам по кабелю типа телевизионного подводится переменное напряжение от генератора. Пьезоэлектрик (3) излучает ультразвуковую волну на частоте своего механического резонанса.




    3. Особенности и свойства ультразвука при его взаимодействии со средой.
    Ультразвуковые волны при сравнении со звуковыми волнами слышимого звука имеют как сходство так и различие.

    Сходство:

    1. Ультразвуковые волны также могут быть как продольными так и поперечными. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны. В твёрдых упругих телах могут распространятся все виды волн.

    2. Скорость ультразвука равна скорости слышимого звука. Она является наибольшей в твердых телах и наименьшей - в газах.

    Например, при комнатной температуре скорость ультразвука будет (м/с):

    • в воздухе 335;

    • в воде 1490;

    • в алюминии 6250.
    Различие:

    1. По сравнению со слышимым звуком, ультразвук имеет более высокую частоту и, следовательно, малую длину волны.

    Например, для воздуха при частоте ультразвука 300 КГц длина волны λ ультразвука будет приблизительно равна:
    С 300 м/с

    λ = = = 1мм

    v ЗООООО Гц
    Для частоты слышимого звука 3000 Гц длина волны λ = 10 см.

    Из-за малой длины волны ультразвук плохо огибает препятствия, оставляя за ними область акустической тени. Физически это связано со слабо выраженными явлениями дифракции когда размеры препятствия больше, чем длина волны.
    2. УЗ может фокусироваться в узкие направленные пучки с помощью специальных линз или придания определённой формы излучателю. Ультразвуковые пучки могут иметь очень высокую интенсивность по сравнению со слышимым звуком.
    3. При прохождении УЗ через среду происходит его поглощение. Расстояние, на котором интенсивность УЗ уменьшается вдвое, называется глубиной полупоглощения.

    На частоте  = 1 МГц глубина полупоглощения:

    мышечная ткань – 2,1 см

    жировая ткань – 3,3 см

    костная ткань – 0,23см

    кровь – 35,0см.

    Поглощение в жидкой среде намного меньше, чем в мягких тканях, и намного меньше чем в костной.

    Поглощение ультразвука происходит пропорционально квадрату частоты ультразвука av2 и в соответствии с формулой:

    Yх =Yоe-ax
    Yх - интенсивность ультразвука в среде на глубине X,

    Yo - интенсивность ультразвука перед средой (х = О),

    е - основание натуральных логарифмов (2,72);

    а - коэффициент поглощения, характеризующий убыль интенсивности ультразвуковой волны.

    Хорошо поглощают ультразвук газы, меньше — жидкости и ещё меньше твёрдые среды. Хорошо поглощают ультразвук тела с малой упругостью, неоднородные, волокнистые и пористые среды. К ним относятся: пенопласты, полиуретаны, пластмассы.




    4. На границе раздела двух сред с разными акустическими сопротивлениями происходит отражение ультразвуковой волны. Количественно степень отражения характеризуется коэффициентом отражения, который обозначается символом R и вычисляется по формуле:
    Z2 – Z1 2

    R =

    Z2 + Z1 , где

    Z2 и Z1 акустические сопротивления сред,

    Z =  — акустическое сопротивление.

    При R=0 происходит полное проникновение ультразвука из одной среды в другую, при R=1 происходит полное отражение ультразвука от границы раздела.
    Из-за большого различия акустических сопротивлений жидкостей и газов, на границе воздуха и воды отражается почти 100% ультразвуковых волн. Поэтому при лечении и диагностики с помощью ультразвука между излучателем и телом пациента должен быть создан хороший акустический контакт. Для этого поверхность тела смазывается жидкой средой (вода, вазелиновое масло и др.) с акустическим сопротивлением тела человека.


    1. Физическое действие ультразвука и его характеристика.


    Физическое действие ультразвука сводится к трем основным проявлениям ( эффектам ): тепловое, механическое и физико-химическому действие.

    1. Тепловое действие - это явление нагревания среды при прохождении через неё ультразвука.

    Обусловлено поглощением УЗ средой в результате чего механическая энергия УЗ волны переходит в тепловую.

    Так как поглощение УЗ различными средами не является полным, то и выделение тепла не будет одинаковым. При IУЗ = 5 Вт/см2 и t = 1 мин. температура костного мозга повышается на 5 0С, а мышц всего лишь на 1 0С.

    Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Ткани со сложной структурой более чувствительны, чем однородные. Локальный нагрев ткани на доли градуса увеличивает жизнедеятельность биологических объектов, интенсивность процессов обмена. Длительное воздействие приводит к перегреву.


    1. Механическое действие – обусловлено переменным давлением, возникающим в среде при прохождении УЗ. При распространении УЗ в жидкости в момент разряжения происходит микроразрыв жидкости, то есть образуется полость ( кавитационный пузырек ), в который устремляются пары жидкости. В момент сжатия происходит захлопывание пузырьков. При этом создаются кратковременные (t  10-6 с) импульсы давления (  108 Па). Они способны разрушить весьма прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатным нагревом газа в пузырьке и его ионизацией. Кавитация начинается при интенсивностях I  8 кВт/м2. Перепады давления приводят в колебательное движение частицы среды, что обуславливает его «дробящее» действие и более равномерное распределение частиц по всему объёму ( используется при приготовлении эмульсий и суспензий ). Эффект возникновения акустических потоков носит специальное название: звуковой ветер. С его помощью перемешиваются жидкости.




    1. Физико-химическое действие – тесно связано с явлением кавитации, так как в кавитационных пузырьках кроме больших давлений возникают свободные радикалы и атомарный водород. Это приводит к тому, что под действием УЗ могут ускоряться различные химические процессы (звуковая химия).


    5. Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека.
    Физически тело человека представляет собой неоднородную среду с участками различной плотности и акустических свойств, разделёнными фазовыми поверхностями на различные области.

    При прохождении ультразвука в теле человека имеются следующие особенности:

    1) Скорость ультразвука в тканях тела человека зависит от вида ткани и тканевой среды. Её значения (м/с) для отдельных тканей следующие:

    кровь 1543

    кость 3270

    мышцы 1568

    печень 1570

    2) Ткани тела человека сильно рассеивают и отражают ультразвук. Причина — морфологическая неоднородность тканей, наличие множественных поверхностей раздела,
    различия в акустических сопротивлениях. Например, акустическое
    сопротивление черепа и крови различаются в 3.5 раза.

    3) В тканях тела человека происходит сильное ослабление ультразвуковой волны вследствие её поглощения. Пример: значение коэффициента поглощения черепа в 14 раз больше коэффициента поглощения мозга.

    1. Биологическое действие ультразвука и его применение в биологии.


    По результатам биологического действия ультразвука на живые системы и организм человека выделяют следующие характерные интенсивности:

    Малые 0 - 1,5Вт/м2

    Средние 1,5 - 3,0 Вт/м2

    Высокие 3,0 - 10,Вт/м2

    Сверхвысокие более - 10,0 Вт/м2

    Малые и средние интенсивности оказывают положительный биологический эффект, а высокие и сверхвысокие — отрицательный.

    Положительный эффект проявляется в стимуляции роста и развития клеток и тканей, а также повышении процессов обмена веществ при действии ультразвука. Проявляется в ускорении роста злокачественных опухолей и клеток в культуре тканей, увеличении всхожести семян растений, рассасывании отёков.

    Отрицательный биологический эффект проявляется в задержке роста и развития клеток и тканей вплоть до их гибели. Примеры: разрушение эритроцитов и лейкоцитов (10 Вт/см); выкидыши у беременных крыс и кроликов (4 Вт/см2 ); гибель рыб и лягушек (5-10 Вт/см2).

    У человека отрицательный биологический эффект проявлялся в паралитическом действии ультразвука, которое сопровождалось потерями памяти и нарушением фокусировки глаз.

    Применение ультразвука в биологии основано на его физическом и биологическом действии.

    В биологии ультразвук используется:

    Для приготовления вакцин и сывороток, извлечения из бактерий
    токсинов, обладающих иммунными свойствами;

    Для ультразвуковой очистки и стерилизации биологической посуды;

    Для измельчения биологически активных веществ и приготовления
    мелко дисперсных эмульсий типа «вода-масло» и суспензий:

    Для инактивации вирусов полиомиелита и энцефалита;

    При экспериментальном изучении роста злокачественных опухолей
    (in vivo*) и в культуре тканей (in vitro).


    написать администратору сайта