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 n = 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 a~v2 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 = r´n — 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.