Ультразвук. Применение ультразвука в медицине

Санкт- Петербуржский Государственный Университет.

Реферат.

По теме:

Ультразвук. Применение ультразвука  в медицине.

Выполнила студентка I курса медицинского факультета

Бойко Анна.

Содержание.

Введение.

1. Ультразвук как физическое явление:

 

1. Ультразвук как упругие волны
2. Специфические особенности ультразвука
3. Источники и приемники ультразвука
4. Механические излучатели
5. Приемники ультразвука

 

2. Ультразвук в медицине:
1. Ультразвуковое обследование.
2. Ультразвуковое лечение.
3. Применение ультразвука в узких специальностях:

1. Применение ультразвука в хирургии и анестезиологии.
2. Применение ультразвука в фармакологии.
3. Применение ультразвука в косметологии.
4. Вредно ли ультразвуковое лечение?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ультьразвук – явление с которым мы сталкиваемся почти каждый день в нашей жизни. Оно нашло свое применение проактически во всех сверах деятельности общества: в медицине, в геологии, в промышленности и т.д.  Наука об ультразвуке сравнительно молодая. История её берёт начало только в XIX веке. Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид  сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.        

В 1838 году, в США, звук впервые  применили для определения профиля  морского дна . Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными – звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря.  Надо было уходить в  область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки. 

Первый генератор ультразвука  сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под  давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания.  Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.  

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы  кварца генерируется электрический  заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление  было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии -  Константином Шиловским  впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена – Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

 

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное

движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности  по сравнению со

звуками слышимого диапазона. В  ультразвуковом диапазоне сравнительно легко

получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в

результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При

распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает

интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в

различных областях науки  и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных

исследованиях. Успешно проведены  теоретические и экспериментальные

исследования в области  ультразвуковой кавитации и акустических течений,

позволившие разработать  новые технологические процессы, протекающие при

воздействии ультразвука  в жидкой фазе. В настоящее время  формируется новое

направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-

технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению

нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей  молекулярное

взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые  области применения

ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая

фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области

ультразвука выполнено много  практических работ. Разработаны универсальные  и

специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным

статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для  очистки

деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения,

преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и  внедрены в

производство автоматические ультразвуковые установки, которые  включаются в

поточные линии, позволяющие  значительно повысить производительность труда.

 

Ультразвук как  физическое явление.

 

Ультразвук (УЗ) – упругие  колебания и волны, частота которых  превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого

звука, определяется субъективными  свойствами человеческого слуха  и является

условной, так как верхняя  граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн,

которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при  условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или

межатомных расстояний в  жидкостях и твердых телах. В  газах при нормальном

давлении верхняя граница  частот УЗ составляет » 10⁹ Гц, в жидкостях

и твердых телах граничная  частота достигает 10¹²-10¹³ Гц.

В зависимости от длины  волны и частоты УЗ обладает различными  специфическими

особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому  область

УЗ-вых частот подразделяют на три области:

·        низкие УЗ-вые частоты (1,5×10⁴ – 10⁵ Гц);

·        средние (10⁵ – 10⁷ Гц);

·        высокие (10⁷ – 10⁹ Гц).

Упругие волны с частотами 10⁹ – 10¹³ Гц принято называть гиперзвуком.

    

Ультразвук как  упругие волны.

 

УЗ-вые 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 поперечные.

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-вых 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-вой 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.

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 называется «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