Несмотря на то что исследования ультразвуковых волн начались более ста лет назад, только последние полвека они стали широко использоваться в различных областях человеческой деятельности. Это связано с активным развитием как квантового и нелинейного разделов акустики, так и квантовой электроники и физики твердого тела. Сегодня ультразвук – это не просто обозначение высокочастотной области акустических волн, а целое научное направление в современной физике и биологии, с которым связаны промышленные, информационные и измерительные технологии, а также диагностические, хирургические и лечебные методы современной медицины.
Что это?
Все звуковые волны можно подразделить на слышимые человеком — это частоты от 16 до 18 тыс. Гц, и те, которые находятся вне диапазона людского восприятия — инфра- и ультразвук. Под инфразвуком понимаются волны аналогичные звуковым, но с частотами, ниже воспринимаемых человеческим ухом. Верхней границей инфразвуковой области считается 16 Гц, а нижней - 0,001 Гц.
Ультразвук – это тоже звуковые волны, но только их частота выше, чем может воспринять слуховой аппарат человека. Как правило, под ними понимают частоты от 20 до 106 кГц. Верхняя их граница зависит от среды, в которых эти волны распространяются. Так, в газовой среде предел составляет 106 кГц, а в твердых телах и жидкостях он достигает отметки в 1010 кГц. В шуме дождя, ветра или водопада, грозовых разрядах и в шуршании перекатываемой морской волной гальки есть ультразвуковые компоненты. Именно благодаря способности воспринимать и анализировать волны ультразвукового диапазона киты и дельфины, летучие мыши и ночные насекомые ориентируются в пространстве.
Немного истории
Первые исследования ультразвука (УЗ) были проведены еще в начале XIX века французским ученым Ф. Саваром (F. Savart), стремившимся выяснить верхний частотный предел слышимости человеческого слухового аппарата. В дальнейшем изучением ультразвуковых волн занимались такие известные ученые, как немец В. Вин, англичанин Ф. Гальтон, русский П. Лебедев с группой учеников.
В 1916 году физик из Франции П. Ланжевен, в сотрудничестве с русским ученым-эмигрантом Константином Шиловским, смог использовать кварц для приема и излучения ультразвука для морских измерений и обнаружения подводных объектов, что позволило исследователям создать первый гидролокатор, состоявший из излучателя и приемника ультразвука.
В послевоенные 50-60-е годы, на основе теоретических разработок коллектива советских ученых, возглавляемых Л. Д. Розенбергом, начинается широкое применение УЗ в различных промышленных и технологических областях. В это же время, благодаря работам английских и американских ученых, а также исследованиям советских исследователей, таких как Р. В. Хохлова, В. А. Красильникова и многих других, быстро развивается такая научная дисциплина, как нелинейная акустика.
Примерно тогда же предпринимаются первые попытки американцев использовать ультразвук в медицине.
Советский ученый Соколов еще в конце сороковых годов прошлого века разработал теоретическое описание прибора, предназначенного для визуализации непрозрачных объектов - «ультразвукового» микроскопа. Основываясь на этих работах, в середине 70-х годов специалисты из Стэндфордского университета создали прототип сканирующего акустического микроскопа.
Особенности
Имея общую природу, волны слышимого диапазона, равно как и ультразвуковые, подчиняются физическим законам. Но у ультразвука есть ряд особенностей, позволяющих широко его использовать в различных областях науки, медицины и техники:
1. Малая длина волны. Для наиболее низкого ультразвукового диапазона она не превышает нескольких сантиметров, обуславливая лучевой характер распространения сигнала. При этом волна фокусируется и распространяется линейными пучками.
2. Незначительный период колебаний, благодаря чему ультразвук можно излучать импульсно.
3. В различных средах ультразвуковые колебания с длиной волны, не превышающей 10 мм, обладают свойствами, аналогичными световым лучам, что позволяет фокусировать колебания, формировать направленное излучение, то есть не только посылать в нужном направлении энергию, но и сосредотачивать ее в необходимом объеме.
4. При малой амплитуде существует возможность получения высоких значений энергии колебаний, что позволяет создавать высокоэнергетические ультразвуковые поля и пучки без использования крупногабаритной аппаратуры.
- диспергирование;
- кавитация;
- дегазация;
- локальный нагрев;
- дезинфекция и мн. др.
Виды
Все ультразвуковые частоты подразделяются на три вида:
- УНЧ – низкие, с диапазоном от 20 до 100 кГц;
- УСЧ – среднечастотные - от 0,1 до 10 МГц;
- УЗВЧ – высокочастотные - от 10 до 1000 МГц.
Сегодня практическое использование ультразвука – это прежде всего применение волн малой интенсивности для измерений, контроля и исследований внутренней структуры различных материалов и изделий. Высокочастотные используются для активного воздействия на различные вещества, что позволяет изменять их свойства и структуру. Диагностика и лечение ультразвуком многих заболеваний (при помощи различных частот) является отдельным и активно развивающимся направлением современной медицины.
Где применяется?
В последние десятилетия ультразвуком интересуются не только научные теоретики, но и практики, все более активно внедряющие его в различные виды человеческой деятельности. Сегодня ультразвуковые установки используются для:
Получение информации о веществах и материалах | Мероприятия | Частота в кГц | ||
от | до | |||
Исследование состава и свойств веществ | твердые тела | 10 | 106 | |
жидкости | 103 | 105 | ||
газы | 10 | 103 | ||
Контроль размеров и уровней | 10 | 103 | ||
Гидролокация | 1 | 100 | ||
Дефектоскопия | 100 | 105 | ||
Медицинская диагностика | 103 | 105 | ||
Воздействия на вещества | Пайка и металлизация | 10 | 100 | |
Сварка | 10 | 100 | ||
Пластическое деформирование | 10 | 100 | ||
Механическая обработка | 10 | 100 | ||
Эмульгирование | 10 | 104 | ||
Кристаллизация | 10 | 100 | ||
Распыление | 10-100 | 103-104 | ||
Коагуляция аэрозолей | 1 | 100 | ||
Диспергирование | 10 | 100 | ||
Очистка | 10 | 100 | ||
Химические процессы | 10 | 100 | ||
Воздействие на горение | 1 | 100 | ||
Хирургия | 10 до 100 | 103 до 104 | ||
Терапия | 103 | 104 | ||
Обработка и управление сигналами | Акустоэлектронные преобразователи | 103 | 107 | |
Фильтры | 10 | 105 | ||
Линии задержки | 103 | 107 | ||
Акустооптические устройства | 100 | 105 | ||
В современном мире ультразвук — это важный технологический инструмент в таких промышленных отраслях, как:
- металлургическая;
- химическая;
- сельскохозяйственная;
- текстильная;
- пищевая;
- фармакологическая;
- машино- и приборостроительная;
- нефтехимическая, перерабатывающая и другие.
Кроме этого, все более широко используется ультразвук в медицине. Вот об этом мы и поговорим в следующем разделе.
Использование в медицине
В современной практической медицине существует три основных направления использования ультразвука различных частот:
1. Диагностическое.
2. Терапевтическое.
3. Хирургическое.
Рассмотрим более подробно каждое из этих трех направлений.
Диагностика
Одним из наиболее современных и информативных методов медицинской диагностики является ультразвуковой. Его несомненные достоинства - это: минимальное воздействие на человеческие ткани и высокая информативность.
Как уже говорилось, ультразвук — это звуковые волны, распространяющиеся в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Если на их пути находятся области с различными акустическими плотностями, то часть колебаний отражается, а другая часть преломляется, продолжая при этом свое прямолинейное движение. Таким образом, чем больше разница в плотности пограничных сред, тем больше ультразвуковых колебаний отражается. Современные методы ультразвукового исследования можно подразделить на локационные и просвечивающие.
Ультразвуковая локация
В процессе такого исследования регистрируются отраженные от границ сред с различными акустическими плотностями импульсы. При помощи перемещаемого датчика можно установить размер, расположение и форму исследуемого объекта.
Просвечивание
Этот метод основан на том, что различные ткани человеческого организма по-разному поглощают ультразвук. Во время исследования какого-либо внутреннего органа в него направляют волну с определенной интенсивностью, после чего специальным датчиком регистрируют прошедший сигнал с обратной стороны. Картина сканируемого объекта воспроизводится на основе изменения интенсивности сигнала на «входе» и «выходе». Полученная информация обрабатывается и преобразуется компьютером в виде эхограммы (кривой) или сонограммы – двухмерного изображения.
Допплер-метод
Это наиболее активно развивающийся метод диагностики, в котором используются как импульсный, так и непрерывный ультразвук. Допплерография широко применяется в акушерстве, кардиологии и онкологии, так как позволяет отслеживать даже самые незначительные изменения в капиллярах и небольших кровеносных сосудах.
Области применения диагностики
Сегодня ультразвуковые методы визуализации и измерений наиболее широко применяются в таких областях медицины, как:
- акушерство;
- офтальмология;
- кардиология;
- неврология новорожденных и младенцев;
- исследование внутренних органов:
- ультразвук почек;
- печени;
- желчного пузыря и протоков;
- женской репродуктивной системы;
- диагностика наружных и приповерхностных органов (щитовидной и молочных желез).
Использование в терапии
Основное лечебное воздействие ультразвука обусловлено его способностью проникать в человеческие ткани, разогревать и прогревать их, осуществлять микромассаж отдельных участков. УЗ может быть использован как для непосредственного, так и для косвенного воздействия на очаг боли. Кроме того, при определенных условиях эти волны оказывают бактерицидное, противовоспалительное, обезболивающее и спазмолитическое действие. Используемый в терапевтических целях ультразвук условно подразделяют на колебания высокой и низкой интенсивности.
- артрозы;
- артриты;
- миалгии;
- спондилиты;
- невралгии;
- варикозные и трофические язвы;
- болезнь Бехтерева;
- облитерирующие эндартерииты.
Проводятся исследования, во время которых используется ультразвук для лечения болезни Меньера, эмфиземы легких, язв двенадцатиперстной кишки и желудка, бронхиальной астмы, отосклероза.
Ультразвуковая хирургия
Современная хирургия, использующая ультразвуковые волны, подразделяется на два направления:
- избирательно разрушающая участки ткани особыми управляемыми ультразвуковыми волнами высокой интенсивности с частотами от 106 до 107 Гц;
- использующая хирургический инструмент с наложением ультразвуковых колебаний от 20 до 75 кГц.
Примером избирательной УЗ-хирургии может послужить дробление камней ультразвуком в почках. В процессе такой неинвазивной операции ультразвуковая волна воздействует на камень через кожу, то есть снаружи человеческого тела.
- беременным женщинам на любом сроке;
- если диаметр камней более двух сантиметров;
- при любых инфекционных заболеваниях;
- при наличии болезней, нарушающих нормальную свертываемость крови;
- в случае тяжелых поражений костной ткани.
Несмотря на то что удаление ультразвуком почечных камней проводится без операционных разрезов, оно довольно болезненное и выполняется под общей или местной анестезией.
Хирургические ультразвуковые инструменты используются не только для менее болезненного рассечения костных и мягких тканей, но и для уменьшения кровопотерь.
