Trots att studiet av ultraljudsvågor började för mer än hundra år sedan, har de bara under det senaste halvseklet blivit allmänt använda inom olika områden av mänsklig aktivitet. Detta beror på den aktiva utvecklingen av både kvant- och ickelinjära sektioner av akustik, och kvantelektronik och fasta tillståndsfysik. Idag är ultraljud inte bara en beteckning på det högfrekventa området för akustiska vågor, utan en hel vetenskaplig riktning inom modern fysik och biologi, som är förknippad med industriell, informations- och mätteknik, såväl som diagnostiska, kirurgiska och terapeutiska metoder för modern medicin.
Vad är det här?
Alla ljudvågor kan delas in i de som är hörbara för människor - det här är frekvenser från 16 till 18 tusen Hz, och de som ligger utanför området för mänsklig perception - infraröd och ultraljud. Infraljud förstås som vågor som liknar ljud, men med frekvenser lägre än de som uppfattas av det mänskliga örat. Den övre gränsen för infraljudsregionen är 16 Hz och den nedre gränsen är 0,001 Hz.
Ultraljud- det här är också ljudvågor, men bara deras frekvens är högre än vad den mänskliga hörapparaten kan uppfatta. Som regel betyder de frekvenser från 20 till 106 kHz. Deras övre gräns beror på i vilket medium dessa vågor utbreder sig. Så i ett gasformigt medium är gränsen 106 kHz, och i fasta ämnen och vätskor når den 1010 kHz. Det finns ultraljudskomponenter i bruset från regn, vind eller vattenfall, blixtar och susandet av småsten som rullas av havsvågen. Det är tack vare förmågan att uppfatta och analysera ultraljudsvågor som valar och delfiner, fladdermöss och nattaktiva insekter orienterar sig i rymden.
Lite historia
De första studierna av ultraljud (USA) utfördes i början av 1800-talet av den franske vetenskapsmannen F. Savart, som försökte ta reda på den övre frekvensgränsen för hörbarhet för den mänskliga hörapparaten. I framtiden var så välkända forskare som tysken V. Vin, engelsmannen F. G alton, ryssen P. Lebedev och en grupp studenter engagerade i studier av ultraljudsvågor.
År 1916 kunde den franske fysikern P. Langevin, i samarbete med den ryske emigrantforskaren Konstantin Shilovsky, använda kvarts för att ta emot och sända ut ultraljud för marina mätningar och detektera undervattensobjekt, vilket gjorde det möjligt för forskare att skapa den första ekolod, bestående av sändare och mottagare för ultraljud.
År 1925 skapade amerikanen W. Pierce en enhet, idag kallad Pierce-interferometern, som mäter hastigheter och absorption med stor noggrannhetultraljud i flytande och gasmedier. År 1928 var den sovjetiske vetenskapsmannen S. Sokolov den första att använda ultraljudsvågor för att upptäcka olika defekter i fasta ämnen, inklusive metalliska.
Under efterkrigstidens 50-60-tal, baserat på den teoretiska utvecklingen av ett team av sovjetiska vetenskapsmän ledda av L. D. Rozenberg, började ultraljud användas i stor utsträckning inom olika industriella och tekniska områden. Samtidigt, tack vare brittiska och amerikanska forskares arbete, såväl som forskning från sovjetiska forskare som R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov och många andra, utvecklas en sådan vetenskaplig disciplin som olinjär akustik snabbt.
Ungefär samtidigt gjordes de första amerikanska försöken att använda ultraljud i medicin.
Sovjetforskaren Sokolov utvecklade i slutet av fyrtiotalet av förra seklet en teoretisk beskrivning av ett instrument utformat för att visualisera ogenomskinliga föremål - ett "ultraljuds" mikroskop. Baserat på dessa arbeten, i mitten av 70-talet, skapade experter från Stanford University en prototyp av ett scanning akustiskt mikroskop.
Funktioner
Vågorna i det hörbara området, såväl som ultraljudsvågor, följer fysiska lagar, eftersom de har en gemensam karaktär. Men ultraljud har ett antal funktioner som gör att det kan användas i stor utsträckning inom olika områden av vetenskap, medicin och teknik:
1. Liten våglängd. För det lägsta ultraljudsområdet överstiger det inte några centimeter, vilket orsakar strålningsnaturen hos signalutbredningen. Samtidigt vågenfokuserad och fortplantas av linjära strålar.
2. Obetydlig oscillationsperiod, på grund av vilken ultraljud kan avges i pulser.
3. I olika miljöer har ultraljudsvibrationer med en våglängd som inte överstiger 10 mm egenskaper som liknar ljusstrålar, vilket gör det möjligt att fokusera vibrationer, bilda riktad strålning, det vill säga inte bara skicka energi i rätt riktning utan också koncentrera den i erforderlig volym.
4. Med en liten amplitud är det möjligt att erhålla höga värden på vibrationsenergi, vilket gör det möjligt att skapa ultraljudsfält och strålar med hög energi utan användning av stor utrustning.
5. Under påverkan av ultraljud på miljön finns det många specifika fysiska, biologiska, kemiska och medicinska effekter, såsom:
- dispersion;
- cavitation;
- avgasning;
- lokalvärme;
- desinfektion och mer. andra
Visningar
Alla ultraljudsfrekvenser är indelade i tre typer:
- ULF - låg, med ett intervall på 20 till 100 kHz;
- MF - mellanregister - från 0,1 till 10 MHz;
- UZVCh - högfrekvens - från 10 till 1000 MHz.
Idag är den praktiska användningen av ultraljud främst användningen av lågintensiva vågor för att mäta, kontrollera och studera den inre strukturen hos olika material och produkter. Högfrekventa används för att aktivt påverka olika ämnen, vilket gör att du kan ändra deras egenskaperoch struktur. Diagnos och behandling av många sjukdomar med ultraljud (med olika frekvenser) är ett separat och aktivt utvecklande område inom modern medicin.
Var gäller det?
Under de senaste decennierna är inte bara vetenskapliga teoretiker intresserade av ultraljud, utan även utövare som i allt högre grad introducerar det i olika typer av mänsklig aktivitet. Idag används ultraljudsenheter för:
| Få information om ämnen och material | Event | Frekvens i kHz | ||
| från | till | |||
| Forskning om ämnens sammansättning och egenskaper | fasta kroppar | 10 | 106 | |
| vätskor | 103 | 105 | ||
| gases | 10 | 103 | ||
| Kontrollera storlekar och nivåer | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopi | 100 | 105 | ||
| Medicinsk diagnostik | 103 | 105 | ||
|
Impacts om substanser |
Llödning och plätering | 10 | 100 | |
| Svetsning | 10 | 100 | ||
| Plastisk deformation | 10 | 100 | ||
| Bearbetning | 10 | 100 | ||
| Emulsification | 10 | 104 | ||
| Crystallization | 10 | 100 | ||
| Spray | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosolkoagulering | 1 | 100 | ||
| Dispersion | 10 | 100 | ||
| Städning | 10 | 100 | ||
| Kemiska processer | 10 | 100 | ||
| Inflytande på förbränning | 1 | 100 | ||
| Kirurgi | 10 till 100 | 103 till 104 | ||
| Terapi | 103 | 104 | ||
| Signalbehandling och -hantering | Akustoelelektroniska givare | 103 | 107 | |
| Filter | 10 | 105 | ||
| Förseningsrader | 103 | 107 | ||
| Akustooptiska enheter | 100 | 105 | ||
I dagens värld är ultraljud ett viktigt tekniskt verktyg i industrier som:
- metallurgisk;
- kemikalie;
- agricultural;
- textile;
- mat;
- farmakologisk;
- maskin- och instrumenttillverkning;
- petrokemi, raffinering och annat.
Dessutom används ultraljud i allt större utsträckning inom medicin. Det är vad vi kommer att prata om i nästa avsnitt.
Medicinsk användning
Inom modern praktisk medicin finns det tre huvudsakliga användningsområden för ultraljud med olika frekvenser:
1. Diagnostisk.
2. Terapeutisk.
3. Kirurgisk.
Låt oss ta en närmare titt på vart och ett av dessa tre områden.
Diagnos
En av de mest moderna och informativa metoderna för medicinsk diagnostik är ultraljud. Dess otvivelaktiga fördelar är: minimal påverkan på mänskliga vävnader och högt informationsinnehåll.
Som redan nämnts är ultraljud ljudvågor,förökning i ett homogent medium i en rak linje och med konstant hastighet. Om det finns områden med olika akustiska tätheter på väg, så reflekteras en del av svängningarna och den andra delen bryts samtidigt som den fortsätter sin rätlinjiga rörelse. Ju större skillnaden är i densiteten hos gränsmediet, desto fler ultraljudsvibrationer reflekteras. Moderna metoder för ultraljudsundersökning kan delas in i lokaliserad och genomskinlig.
Ultraljudplats
I processen med en sådan studie registreras pulser som reflekteras från gränserna för media med olika akustiska tätheter. Med hjälp av en rörlig sensor kan du ställa in storlek, placering och form på föremålet som studeras.
Translucent
Denna metod är baserad på det faktum att olika vävnader i människokroppen absorberar ultraljud på olika sätt. Under studiet av något inre organ riktas en våg med en viss intensitet in i den, varefter den överförda signalen registreras från baksidan med en speciell sensor. Bilden av det skannade objektet reproduceras baserat på förändringen i signalintensitet vid "ingången" och "utgången". Den mottagna informationen bearbetas och omvandlas av en dator i form av ett ekogram (kurva) eller ett sonogram - en tvådimensionell bild.
Doppler-metoden
Detta är den mest aktivt utvecklande diagnostiska metoden, som använder både pulsat och kontinuerligt ultraljud. Dopplerografi används ofta inom obstetrik, kardiologi och onkologi, allt eftersom det tillåterspåra även de minsta förändringarna i kapillärer och små blodkärl.
Användningsområden för diagnostik
Idag används ultraljudsavbildning och mätmetoder mest inom medicinska områden som:
- obstetrik;
- oftalmologi;
- kardiologi;
- neurologi hos nyfödda och spädbarn;
- undersökning av inre organ:
- njurultraljud;
- lever;
- gallblåsa och kanaler;
- kvinnligt reproduktionssystem;
diagnos av yttre och ytliga organ (sköldkörteln och bröstkörtlarna)
Användning i terapi
Den huvudsakliga terapeutiska effekten av ultraljud beror på dess förmåga att penetrera mänskliga vävnader, värma upp och värma upp dem och utföra mikromassage av enskilda områden. Ultraljud kan användas för både direkta och indirekta effekter på smärtfokus. Dessutom, under vissa förhållanden, har dessa vågor en bakteriedödande, antiinflammatorisk, smärtstillande och kramplösande effekt. Ultraljud som används för terapeutiska ändamål är villkorligt uppdelat i hög- och lågintensiva vibrationer.
Det är de lågintensiva vågorna som används mest för att stimulera fysiologiska reaktioner eller lätt, icke-skadlig uppvärmning. Ultraljudsbehandling har visat positiva resultat vid sjukdomar som:
- artrit;
- artrit;
- myalgi;
- spondylit;
- neuralgi;
- åderbråck och trofiska sår;
- Ankyloserande spondylit;
- utplånande endarterit.
Studier pågår som använder ultraljud för att behandla Ménières sjukdom, emfysem, duodenalsår och magsår, astma, otoskleros.
Ultraljudskirurgi
Modern kirurgi med ultraljudsvågor är uppdelad i två områden:
- selektivt förstör vävnadsområden med speciella kontrollerade högintensiva ultraljudsvågor med frekvenser från 106 till 107 Hz;
- med ett kirurgiskt instrument med överlagrade ultraljudsvibrationer från 20 till 75 kHz.
Ett exempel på selektiv ultraljudskirurgi är krossning av stenar med ultraljud i njurarna. I processen med en sådan icke-invasiv operation verkar en ultraljudsvåg på stenen genom huden, det vill säga utanför människokroppen.
Tyvärr har denna kirurgiska metod ett antal begränsningar. Använd inte ultraljudskrossning i följande fall:
- gravida kvinnor när som helst;
- om diametern på stenarna är mer än två centimeter;
- för alla infektionssjukdomar;
- i närvaro av sjukdomar som stör normal blodkoagulering;
- vid allvarliga benskador.
Trots att borttagning av njursten med ultraljud utförs utan att opererasnitt, det är ganska smärtsamt och utförs under allmän eller lokalbedövning.
Kirurgiska ultraljudsinstrument används inte bara för mindre smärtsam dissektion av ben och mjuka vävnader, utan också för att minska blodförlusten.
Låt oss vända vår uppmärksamhet mot tandvård. Ultraljud tar bort tandstenar mindre smärtsamt, och alla andra läkares manipulationer är mycket lättare att bära. Dessutom, i trauma och ortopedisk praktik, används ultraljud för att återställa integriteten hos brutna ben. Under sådana operationer fylls utrymmet mellan benfragmenten med en speciell förening bestående av benflis och en speciell flytande plast, och utsätts sedan för ultraljud, på grund av vilket alla komponenter är ordentligt anslutna. De som har genomgått kirurgiska ingrepp under vilka ultraljud användes lämnar olika recensioner - både positiva och negativa. Det bör dock noteras att det fortfarande finns fler nöjda patienter!
