Nepaisant to, kad ultragarso bangos pradėtos tyrinėti daugiau nei prieš šimtą metų, tik pastarąjį pusšimtį metų jos buvo plačiai naudojamos įvairiose žmogaus veiklos srityse. Taip yra dėl aktyvaus tiek kvantinės, tiek netiesinės akustikos skyrių, tiek kvantinės elektronikos ir kietojo kūno fizikos plėtros. Šiandien ultragarsas yra ne tik aukšto dažnio akustinių bangų srities žymėjimas, bet ir visa šiuolaikinės fizikos ir biologijos mokslinė kryptis, susijusi su pramoninėmis, informacinėmis ir matavimo technologijomis, taip pat diagnostiniais, chirurginiais ir terapiniais metodais. šiuolaikinė medicina.
Kas tai?
Visas garso bangas galima suskirstyti į tas, kurias girdi žmogus – tai dažniai nuo 16 iki 18 tūkst. Hz, ir tas, kurios nepatenka į žmogaus suvokimo diapazoną – infraraudonuosius ir ultragarsinius. Infragarsas suprantamas kaip bangos, panašios į garsą, bet kurių dažniai mažesni nei suvokiami žmogaus ausimi. Viršutinė infragarso srities riba yra 16 Hz, o apatinė riba yra 0,001 Hz.
Ultragarsas- tai irgi garso bangos, bet tik jų dažnis didesnis, nei gali suvokti žmogaus klausos aparatas. Paprastai jie reiškia nuo 20 iki 106 kHz dažnius. Jų viršutinė riba priklauso nuo terpės, kurioje šios bangos sklinda. Taigi dujinėje terpėje riba yra 106 kHz, o kietose medžiagose ir skysčiuose ji siekia 1010 kHz. Yra ultragarsiniai komponentai lietaus, vėjo ar krioklių triukšme, žaibo iškrovose ir jūros bangos ridenamų akmenukų ošime. Dėl gebėjimo suvokti ir analizuoti ultragarso bangas banginiai ir delfinai, šikšnosparniai ir naktiniai vabzdžiai orientuojasi erdvėje.
Šiek tiek istorijos
Pirmuosius ultragarso (JAV) tyrimus XIX amžiaus pradžioje atliko prancūzų mokslininkas F. Savartas, siekęs išsiaiškinti žmogaus klausos aparato girdimumo viršutinę dažnio ribą. Ateityje ultragarso bangų tyrimu užsiėmė tokie žinomi mokslininkai kaip vokietis V. Vinas, anglas F. G altonas, rusas P. Lebedevas ir grupė studentų.
1916 m. prancūzų fizikas P. Langevinas, bendradarbiaudamas su rusų emigrantų mokslininku Konstantinu Šilovskiu, sugebėjo panaudoti kvarcą ultragarsui priimti ir skleisti jūriniams matavimams ir povandeniniams objektams aptikti, o tai leido tyrėjams sukurti pirmąjį sonaras, sudarytas iš ultragarso siųstuvo ir imtuvo.
1925 m. amerikietis W. Pierce'as sukūrė prietaisą, šiandien vadinamą Pierce'o interferometru, kuris labai tiksliai matuoja greitį ir absorbciją.ultragarsas skystose ir dujinėse terpėse. 1928 m. sovietų mokslininkas S. Sokolovas pirmasis panaudojo ultragarso bangas, kad aptiktų įvairius kietųjų medžiagų defektus, įskaitant metalinius.
Pokario 50–60-aisiais, remiantis L. D. Rozenbergo vadovaujamos sovietų mokslininkų komandos teoriniais pasiekimais, ultragarsas buvo plačiai naudojamas įvairiose pramonės ir technologijų srityse. Tuo pat metu britų ir amerikiečių mokslininkų darbo, taip pat sovietų tyrinėtojų, tokių kaip R. V. Chokhlova, V. A. Krasilnikovas ir daugelio kitų, tyrimų dėka tokia mokslo disciplina kaip netiesinė akustika sparčiai vystosi.
Maždaug tuo pačiu metu Amerikoje buvo atlikti pirmieji bandymai panaudoti ultragarsą medicinoje.
Sovietų mokslininkas Sokolovas praėjusio amžiaus keturiasdešimtojo dešimtmečio pabaigoje sukūrė teorinį instrumento, skirto nepermatomiems objektams vizualizuoti, – „ultragarsinio“mikroskopo – aprašymą. Remdamiesi šiais darbais, aštuntojo dešimtmečio viduryje Stanfordo universiteto ekspertai sukūrė skenuojančio akustinio mikroskopo prototipą.
Funkcijos
Turėdami bendrą prigimtį, garsinio diapazono bangos, taip pat ultragarso bangos, paklūsta fiziniams dėsniams. Tačiau ultragarsas turi daugybę funkcijų, leidžiančių jį plačiai naudoti įvairiose mokslo, medicinos ir technologijų srityse:
1. Mažas bangos ilgis. Žemiausiame ultragarso diapazone jis neviršija kelių centimetrų, todėl signalo sklidimas yra spindulinis. Tuo pačiu metu bangasufokusuota ir skleidžiama linijiniais pluoštais.
2. Nežymus svyravimų periodas, dėl kurio ultragarsas gali sklisti impulsais.
3. Įvairiose aplinkose ultragarso virpesiai, kurių bangos ilgis neviršija 10 mm, pasižymi panašiomis į šviesos spindulius savybėmis, kurios leidžia sufokusuoti vibracijas, formuoti kryptingą spinduliuotę, tai yra ne tik siųsti energiją reikiama kryptimi, bet ir sutelkti ją reikalingas tūris.
4. Esant nedidelei amplitudei, galima gauti dideles vibracijos energijos vertes, kurios leidžia sukurti didelės energijos ultragarso laukus ir spindulius nenaudojant didelės įrangos.
5. Ultragarso įtakoje aplinkai atsiranda daug specifinių fizinių, biologinių, cheminių ir medicininių poveikių, tokių kaip:
- dispersija;
- kavitacija;
- degazavimas;
- vietinis šildymas;
- dezinfekcija ir kt. kiti
Peržiūros
Visi ultragarso dažniai skirstomi į tris tipus:
- ULF – žemas, diapazonas nuo 20 iki 100 kHz;
- MF – vidutinis diapazonas – nuo 0,1 iki 10 MHz;
- UZVCh – aukšto dažnio – nuo 10 iki 1000 MHz.
Šiandien praktinis ultragarso panaudojimas visų pirma yra žemo intensyvumo bangų naudojimas matuojant, kontroliuojant ir tiriant įvairių medžiagų ir gaminių vidinę struktūrą. Aukšto dažnio naudojami aktyviai paveikti įvairias medžiagas, o tai leidžia keisti jų savybesir struktūra. Daugelio ligų diagnostika ir gydymas ultragarsu (naudojant skirtingus dažnius) yra atskira ir aktyviai besivystanti šiuolaikinės medicinos sritis.
Kur tai taikoma?
Pastaraisiais dešimtmečiais ultragarsu domisi ne tik mokslo teoretikai, bet ir praktikai, kurie vis dažniau jį įveda į įvairias žmogaus veiklos rūšis. Šiandien ultragarsiniai įrenginiai naudojami:
| Informacijos apie medžiagas gavimas | Renginiai | Dažnis kHz | ||
| iš | į | |||
| Medžiagų sudėties ir savybių tyrimai | kieti kūnai | 10 | 106 | |
| skysčiai | 103 | 105 | ||
| dujos | 10 | 103 | ||
| Valdymo dydžiai ir lygiai | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopija | 100 | 105 | ||
| Medicininė diagnostika | 103 | 105 | ||
|
Poveikis dėl medžiagų |
Litavimas ir dengimas | 10 | 100 | |
| Suvirinimas | 10 | 100 | ||
| Plastinė deformacija | 10 | 100 | ||
| Apdirbimas | 10 | 100 | ||
| Emulsifikacija | 10 | 104 | ||
| Kristalizacija | 10 | 100 | ||
| Purškimas | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerozolinis krešėjimas | 1 | 100 | ||
| Dispersija | 10 | 100 | ||
| Valymas | 10 | 100 | ||
| Cheminiai procesai | 10 | 100 | ||
| Poveikis degimui | 1 | 100 | ||
| Chirurgija | 10–100 | 103 iki 104 | ||
| Terapija | 103 | 104 | ||
| Signalų apdorojimas ir valdymas | Akustoelektroniniai keitikliai | 103 | 107 | |
| Filtrai | 10 | 105 | ||
| Vėlinimo linijos | 103 | 107 | ||
| Akustiniai optiniai įrenginiai | 100 | 105 | ||
Šiandieniniame pasaulyje ultragarsas yra svarbi technologinė priemonė tokiose pramonės šakose kaip:
- metalurgijos;
- cheminė;
- žemės ūkio;
- tekstilė;
- maistas;
- farmakologinis;
- mašinų ir instrumentų gamyba;
- naftos chemija, perdirbimas ir kt.
Be to, ultragarsas vis dažniau naudojamas medicinoje. Apie tai ir pakalbėsime kitame skyriuje.
Medicinos reikmėms
Šiuolaikinėje praktinėje medicinoje yra trys pagrindinės įvairaus dažnio ultragarso naudojimo sritys:
1. Diagnostika.
2. Terapinis.
3. Chirurginis.
Pažvelkime atidžiau į kiekvieną iš šių trijų sričių.
Diagnostika
Vienas moderniausių ir informatyviausių medicininės diagnostikos metodų yra ultragarsas. Neabejotini jo pranašumai: minimalus poveikis žmogaus audiniams ir didelis informacijos kiekis.
Kaip jau minėta, ultragarsas yra garso bangos,sklindantis vienalytėje terpėje tiesia linija ir pastoviu greičiu. Jei jų kelyje yra skirtingo akustinio tankio sritys, tai dalis svyravimų atsispindi, o kita dalis lūžta, tęsiant tiesinį judėjimą. Taigi, kuo didesnis ribinių terpių tankio skirtumas, tuo labiau atsispindi ultragarso virpesiai. Šiuolaikinius ultragarsinio tyrimo metodus galima suskirstyti į vietinius ir permatomus.
Ultragarsinė vieta
Tokio tyrimo metu registruojami impulsai, atsispindintys nuo skirtingo akustinio tankio terpių ribų. Kilnojamo jutiklio pagalba galite nustatyti tiriamo objekto dydį, vietą ir formą.
Permatomas
Šis metodas pagrįstas tuo, kad skirtingi žmogaus kūno audiniai skirtingai sugeria ultragarsą. Tiriant bet kurį vidinį organą, į jį nukreipiama tam tikro intensyvumo banga, po kurios perduodamas signalas įrašomas iš galinės pusės specialiu jutikliu. Nuskaityto objekto vaizdas atkuriamas pagal signalo intensyvumo pokyčius „įėjime“ir „išvestyje“. Gauta informacija apdorojama ir paverčiama kompiuteriu echogramos (kreivės) arba sonogramos – dvimačio vaizdo pavidalu.
Doplerio metodas
Tai aktyviausiai tobulinamas diagnostikos metodas, kai naudojamas tiek impulsinis, tiek nuolatinis ultragarsas. Doplerografija plačiai naudojama akušerijoje, kardiologijoje ir onkologijoje, nes tai leidžiastebėti net mažiausius kapiliarų ir smulkiųjų kraujagyslių pokyčius.
Diagnostikos taikymo sritys
Šiandien ultragarso vaizdavimo ir matavimo metodai plačiausiai naudojami tokiose medicinos srityse kaip:
- akušerija;
- oftalmologija;
- kardiologija;
- naujagimių ir kūdikių neurologija;
- vidaus organų apžiūra:
- inkstų ultragarsas;
- kepenys;
- tulžies pūslė ir latakai;
- moterų reprodukcinė sistema;
išorinių ir paviršinių organų (skydliaukės ir pieno liaukų) diagnozė
Naudoti terapijoje
Pagrindinį terapinį ultragarso poveikį lemia jo gebėjimas prasiskverbti į žmogaus audinius, juos sušildyti ir sušildyti, atlikti atskirų sričių mikromasažą. Ultragarsas gali būti naudojamas tiek tiesioginiam, tiek netiesioginiam poveikiui skausmo židinyje. Be to, tam tikromis sąlygomis šios bangos turi baktericidinį, priešuždegiminį, analgezinį ir antispazminį poveikį. Terapiniais tikslais naudojamas ultragarsas sąlygiškai skirstomas į didelio ir mažo intensyvumo vibracijas.
Tai mažo intensyvumo bangos, kurios plačiausiai naudojamos fiziologinėms reakcijoms arba nedideliam, nekenksmingam įkaitimui skatinti. Ultragarsinis gydymas parodė teigiamus rezultatus sergant tokiomis ligomis kaip:
- artritas;
- artritas;
- mialgija;
- spondilitas;
- neuralgija;
- varikozinės ir trofinės opos;
- Ankilozuojantis spondilitas;
- naikinantis endarteritą.
Vykdomi tyrimai, kuriuose ultragarsu gydoma Menjero liga, emfizema, dvylikapirštės žarnos ir skrandžio opos, astma, otosklerozė.
Ultragarsinė chirurgija
Šiuolaikinė chirurgija naudojant ultragarso bangas skirstoma į dvi sritis:
- selektyviai naikina audinių sritis specialiomis kontroliuojamomis didelio intensyvumo ultragarso bangomis, kurių dažniai nuo 106 iki 107 Hz;
– naudojant chirurginį instrumentą su ultragarso virpesiais nuo 20 iki 75 kHz.
Selektyviosios ultragarsinės operacijos pavyzdys yra akmenų smulkinimas ultragarsu inkstuose. Tokios neinvazinės operacijos metu ultragarso banga veikia akmenį per odą, tai yra už žmogaus kūno ribų.
Deja, šis chirurginis metodas turi tam tikrų apribojimų. Nenaudokite ultragarsinio smulkinimo šiais atvejais:
- nėščios moterys bet kuriuo metu;
- jei akmenų skersmuo didesnis nei du centimetrai;
- dėl bet kokių infekcinių ligų;
- sergant ligomis, kurios sutrikdo normalų kraujo krešėjimą;
- esant dideliems kaulų pažeidimams.
Nepaisant to, kad inkstų akmenų šalinimas ultragarsu atliekamas neoperuojantpjūvių, tai gana skausminga ir atliekama taikant bendrąją arba vietinę nejautrą.
Chirurginiai ultragarsiniai instrumentai naudojami ne tik mažiau skausmingam kaulų ir minkštųjų audinių išpjaustymui, bet ir kraujo netekimui sumažinti.
Kreipkime dėmesį į odontologiją. Ultragarsu dantų akmenys pašalinami ne taip skausmingai, o visos kitos gydytojo manipuliacijos yra daug lengviau pakeliamos. Be to, traumų ir ortopedijos praktikoje ultragarsas naudojamas lūžusių kaulų vientisumui atkurti. Tokių operacijų metu tarpas tarp kaulų fragmentų užpildomas specialiu junginiu, susidedančiu iš kaulų drožlių ir specialaus skysto plastiko, o po to veikiamas ultragarsu, dėl kurio visi komponentai yra tvirtai sujungti. Tie, kuriems buvo atlikta chirurginė intervencija, kurios metu buvo naudojamas ultragarsas, palieka skirtingus atsiliepimus - tiek teigiamus, tiek neigiamus. Tačiau reikia pažymėti, kad vis dar yra daugiau patenkintų pacientų!
