Ультразвук; шкала интенсивностей ультразвука; особенности ультразвука; воздействие ультразвука на организм, применение в медицине

Ультразвуком называют продольные механические волны с частотами колебаний выше 20 КГц. Как и звуковые волны, ультразвуковая волна представляет собой чередования сгущений и разряжений среды. В каждой среде скорость распространения, как звука, так и ультразвука – одинакова. Ввиду этого, длина ультразвуковых волн в воздухе меньше чем 17 мМ (V = λ * ν ; Vвозд = 330 м/с).

Источниками ультразвука являются специальные электромеханические излучатели. Один тип излучателей работают на основе явления магнитострикции, когда в переменном магнитном поле изменяются размеры некоторых тел (например, никелевого стержня). Такие излучатели позволяют получить колебания с частотами от 20 до 80 КГц. От источника переменного тока с указанными частотами напряжение подается на никелевый стержень, продольный размер стержня изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 4).

Второй тип излучателей работает на основе пьезоэффекта, когда в переменном электрическом поле изменяются размеры некоторых тел – материалов из сегнетоэлектриков. Для этого типа излучателей можно получать более высокочастотные колебания – до 500 МГц. От источника переменного тока напряжение также подается на боковые грани стержня изготовленного из сегнетоэлектрика (кварц, турмалин), продольный размер стержня при этом изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 5). И в первом и во втором случаях ультразвук излучается вследствие колебаний боковых граней стержня, в последнем случае эти грани металлизированы для подведения тока к образцу.

Приемники ультразвука работают по принципу обратных явлений магнитострикции и пьезоэффекта: ультразвуковая волна вызывает колебания линейных размеров тел, когда тела находятся в поле ультразвуковой волны, колебания размеров сопровождается появлением либо переменного магнитного, либо переменного электрического полей в материале. Эти поля, возникающие в соответствующем датчике, регистрируются каким либо индикатором, например осциллографом. Чем интенсивнее ультразвук, тем больше амплитуда механических колебаний образца – датчика и тем больше амплитуда возникающих переменных магнитного или электрического полей.

Особенности ультразвука.

Как уже было сказано выше в каждой среде скорость распространения, как звука, так и ультразвука – одинакова. Наиболее важной особенностью ультразвука является узость ультразвукового пучка, что позволяет воздействовать на какие либо объекты локально. В неоднородных средах с мелкими неоднородностями, когда размеры включений примерно равны но больше длины волны (L ≈ λ) имеет место явление дифракции. Если размеры включений много больше длины волны (L >> λ) имеет место прямолинейность распространения ультразвука. В этом случае возможно получать ультразвуковые тени от таких включений, что используется при различных видах диагностики – как технической, так и медицинской. Важным теоретическим моментом при использовании ультразвука является прохождение ультразвука из одной среды в другую. Такая характеристика волн, как частота при этом не изменяется. Напротив, скорость и длина волны при этом могут изменяться. Так в воде скорость акустических волн равна 1400 м/с, когда в воздухе – 330 м/с. Проникновение ультразвука в другую среду характеризуется коэффициентом проникновения (β). Он определяется как отношение интенсивности волны попавшей во вторую среду к интенсивности, падающей волны: β = I₂ / I₁ – Рис 6. Этот коэффициент зависит от соотношения акустических импедансов двух сред. Акустическим импедансом называют произведение плотности среды на скорость распространения волн в данной среде: Z₁ = ρ₁ * V₁, Z₂ = ρ₂ * V₂ . Коэффициент проникновения наибольший – близкий к единице, если акустические импедансы двух сред примерно равны:ρ₁ * V₁,≈ ρ₂ * V₂. В случае, если импеданс второй среды много больше, чем первой, коэффициент проникновения – ничтожно мал. В общем случае коэффициент β вычисляют по формуле:

Для перехода ультразвука из воздуха в кожу человека β = 0,08 %, для перехода из глицерина в кожу β = 99,7 %.

Поглощение ультразвука в различных средах.

В однородных средах ультразвук поглощается, как и любой вид излучений – по закону показательной функции:

Величину L’ – называют слоем половинного поглощения – это то расстояние, на котором интенсивность волны уменьшается вдвое. Слой половинного поглощения зависит от частоты ультразвука и самой ткани – объекта. С увеличением частоты величина L_1/2-уменьшается. Для различных тканей организма имеют место следующие значения степени поглощения ультразвука:

Вещество	Вода	Кровь	Хрящ	Кость
L’	300 см	2 – 8 см	0,24 см	0,05 см

Действие ультразвука на ткани организма.

Имеет место три вида действия ультразвука:

- механическое,

- тепловое,

- химическое.

Степень воздействия того или другого вида определяется интенсивностью. В связи с этим в медицине различают три уровня интенсивностей ультразвуков:

1 уровень - до 1,5 Вт / см²,

2 уровень - от 1,5 до 3 Вт / см²,

3 уровень - от 3 до 10 Вт / см².

Все три вида воздействия ультразвука на ткани связано с явлением кавитации - это кратковременные (половины периодов колебаний частиц среды) возникновения микроскопических полостей в местах разряжения среды. Эти полости заполняются парами жидкости, и в фазе повышенного давления (другая половина периода колебаний частиц среды) происходит схлопывание образовавшихся полостей. При больших интенсивностях волн схлопывание полостей с находящимися в них парами жидкости может привести разрушающему механическому воздействию. Естественно схлопывание микрополостей сопровождается тепловым эффектом. С процессом схлопывания микрополостей связано и химическое действие ультразвука, так как при этом частицы среды достигают больших скоростей поступательного движения, что может вызвать явление ионизации, разрыва химических связей, образования радикалов. Образовавшиеся радикалы могут вступать во взаимодействие с белками, лмпидами, нуклеиновыми кислотами и вызывать нежелательные воздействия химической природы.

6.Особенности тока крови по крупным сосудам, средним и мелким сосудам, капиллярам;
ток крови при сужении сосуда, звуковые эффекты.

Скорость кровотока в разных сосудах различна. Ориентировочные значения этой скорости представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Скорость и давление крови в различных сосудах

Сосуды	Диметр, мм	Скорость, 10^-2 м/с	Давление, мм рт. ст.
Аорта		30-50	50-150
Артерии	10-5	20-50	80-20
Артериолы	0,1-0,5	1-20	50-20
Капилляры	0,5-0,01	0,01-0,05	20-10
Венулы	0,1-0,2	0,1-1,0	10-5
Вены	10-30	10-20	(-5М+5)

На первый взгляд, кажется, что приведенные значения противоречат уравнению неразрывности - в тонких капиллярах скорость кровотока меньше чем в артериях. Однако это несоответствие кажущееся. Дело в том, что в табл. 2.1 приведен диаметр одного сосуда, но по мере разветвления сосудов площадь каждого из них уменьшается, а суммарная площадь разветвления возрастает. Так, суммарная площадь всех капилляров (примерно 2000 см²) в сотни раз превышает площадь аорты - этим и объясняется такая малая скорость крови в капиллярах (в 500 - 600 раз меньше, чем в аорте).

В дальнейшем, когда капилляры сливаются в венулы, в вены, вплоть до полой вены, суммарный просвет сосудов опять уменьшается и, скорость течения крови снова увеличивается. Однако, в силу ряда причин, скорость кровотока при впадении полой вены в сердце увеличивается не до исходного значения, а примерно, до ½ от него (рис. 2.7).

Аорта артерии артериолы капилляры венулы вены полая вена

Рис. 2.7. Распределение скоростей кровотока в различных отделах

сердечно-сосудистой системы

В капиллярах и венах кровоток постоянен, в других отделах сердечно-сосудистой системы наблюдаются пульсовые волны.

Распространяющуюся по аорте и артериям волну повышенного давления, вызванную выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы, называют пульсовой волной.

При сокращении сердечной мышцы (систола) кровь выбрасывается из сердца в аорту и отходящие от нее артерии. Если бы стенки этих сосудов были жесткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, со скоростью звука передалось бы к периферии. Однако упругость стенок сосудов приводит к тому, что во время систолы кровь, выталкиваемая сердцем, растягивает аорту, артерии и артериолы. Крупные сосуды воспринимают за время систолы больше крови, чем ее оттекает к периферии. Систолическое давление (Р_С) человека в норме равно приблизительно 16 кПа. Во время расслабления сердца (диастола) растянутые кровеносные сосуды спадают и потенциальная энергия, сообщенная им сердцем через кровь, переходит в кинетическую энергию тока крови, при этом поддерживается диастолическое давление (Р_Д), приблизительно равное 11 кПа.

Чем дальше от сердца находится артерия, тем колебания давления в сосудах всё более сглаживаются (рис. 2.8).

Р, Па Р, Па

t, с t, с

1 - в аорте 2 - в артериолах

Рис. 2.8. Колебания давления в сосудах при прохождении пульсовых волн

Амплитудой пульсовой волны Р₀(х) (пульсовое давление) называется разность между максимальным и минимальным значениями давлений в данной точке сосуда (x). В начале аорты амплитуда волны Р_0,_max равна разности систолического (Р_С) и диастолического (Р_Д) давлений: Р_0,_max = Р_С - Р_Д. Затухание амплитуды пульсовой волны при ее распространении вдоль сосудов можно представить зависимостью:

где β - коэффициент затухания, увеличивающийся с уменьшением радиуса сосуда.

Скорость распространения пульсовой волны, измеренная экспериментально, составляет » 6 - 8 м/с, что в 20 - 30 раз больше, чем скорость движения частиц крови = 0,3 - 0,5 м/с. За время изгнания крови из желудочков (время систолы) t_с = 0,3 с пульсовая волна успевает распространиться на расстояние

L_п= ·t_с » 2м,

то есть охватить все крупные сосуды - аорту и артерии. Это означает, что фронт пульсовой волны достигнет конечностей раньше, чем начнется спад давления в аорте.

Экспериментальное определение скорости пульсовой волны лежит в основе диагностики состояния сосудов. С возрастом упругость сосудов увеличивается в 2 - 3 раза, а, следовательно, возрастает и скорость пульсовой волны.

Как ясно из опытов и из общих представлений о работе сердца, пульсовая волна не является синусоидальной

(гармонической) (рис. 2.9).

1 - артерия после прохождения 2 - через артерию проходит

пульсовой волны фронт пульсовой волны

3 - пульсовая волна в артерии 4 - спад повышенного давления

Рис. 2.9. Профиль артерии при прохождении пульсовой волны.

Скорость пульсовой волны в крупных сосудах следующим образом зависит от их параметров (формула Моенса-Кортевега):

, где Е - модуль упругости (модуль Юнга); ρ - плотность вещества сосуда; h - толщина стенки сосуда; d - диаметр сосуда.

Интересно сопоставить эту формулу с выражением для скорости распространения звука в тонком стержне:

, Е - модуль Юнга; ρ - плотность вещества стержня

У человека с возрастом модуль упругости сосудов возрастает, поэтому, становится больше и скорость пульсовой волны.

Наряду с пульсовой волной в системе «сосуд-кровь» могут распространяться и звуковые волны, скорость которых очень велика по сравнению со скоростью движения частиц крови и скоростью пульсовой волны. Таким образом, в системе сосуд-кровь можно выделить три основных процесса движения:

1) перемещение частиц крови ( = 0,5 м/с);

2) распространение пульсовой волны ( ~ 10 м / с);

3) распространение звуковых волн ( ~ 1500 м / с).

Течение крови в артериях в норме является ламинарным, небольшая турбулентность возникает вблизи клапанов. При патологии, когда вязкость бывает меньше нормы, число Рейнольдса может превышать критическое значение и движение станет турбулентным. Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости, что в случае крови приводит к добавочной работе сердца.

Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностирования заболеваний. Этот шум прослушивают на плечевой артерии при измерении давления крови методом звуков Короткова.

Течение воздуха в носовой полости в норме ламинарное. Однако при воспалении или каких-либо других отклонениях от нормы оно может стать турбулентным, что повлечет дополнительную работу дыхательных мышц.

Переход от ламинарной формы течения к турбулентной происходит не только при течении в трубе (канале), он характерен почти для всех течений вязкой жидкости. В частности, обтекание жидкостью профиля корабля или подводной лодки, тела рыбы или крыла самолета или птицы также характеризуется ламинарно-турбулентным переходом, при этом в формулу нужно подставить характерный размер обтекаемого тела и константу, зависящую от формы тела.