Til tross for at studiet av ultralydbølger begynte for mer enn hundre år siden, har de bare det siste halve århundret blitt mye brukt i ulike felt av menneskelig aktivitet. Dette skyldes den aktive utviklingen av både kvante- og ikke-lineære seksjoner av akustikk, og kvanteelektronikk og faststofffysikk. I dag er ultralyd ikke bare en betegnelse på det høyfrekvente området av akustiske bølger, men en hel vitenskapelig retning innen moderne fysikk og biologi, som er assosiert med industrielle, informasjons- og måleteknologier, samt diagnostiske, kirurgiske og terapeutiske metoder for moderne medisin.
Hva er dette?
Alle lydbølger kan deles inn i de som er hørbare for mennesker - dette er frekvenser fra 16 til 18 tusen Hz, og de som er utenfor området for menneskelig persepsjon - infrarød og ultralyd. Infralyd forstås som bølger som ligner på lyd, men med frekvenser lavere enn de som oppfattes av det menneskelige øret. Den øvre grensen for det infrasoniske området er 16 Hz, og den nedre grensen er 0,001 Hz.
Ultralyd- Dette er også lydbølger, men bare frekvensen deres er høyere enn det menneskelige høreapparatet kan oppfatte. Som regel betyr de frekvenser fra 20 til 106 kHz. Deres øvre grense avhenger av mediet som disse bølgene forplanter seg i. Så i et gassformig medium er grensen 106 kHz, og i faste stoffer og væsker når den 1010 kHz. Det er ultralydkomponenter i støy fra regn, vind eller fossefall, lynutladninger og raslingen av småstein rullet av havbølgen. Det er takket være evnen til å oppfatte og analysere ultralydbølger at hvaler og delfiner, flaggermus og nattaktive insekter orienterer seg i verdensrommet.
Litt av historien
De første studiene av ultralyd (US) ble utført på begynnelsen av 1800-tallet av den franske forskeren F. Savart, som forsøkte å finne ut den øvre frekvensgrensen for hørbarhet for det menneskelige høreapparatet. I fremtiden ble så kjente forskere som tyskeren V. Vin, engelskmannen F. G alton, russeren P. Lebedev og en gruppe studenter engasjert i studiet av ultralydbølger.
I 1916 kunne den franske fysikeren P. Langevin, i samarbeid med den russiske emigrantforskeren Konstantin Shilovsky, bruke kvarts til å motta og sende ut ultralyd for marine målinger og oppdage undervannsobjekter, noe som gjorde det mulig for forskere å lage den første ekkolodd, bestående av sender og mottaker av ultralyd.
I 1925 skapte amerikaneren W. Pierce en enhet, i dag k alt Pierce interferometer, som måler hastigheter og absorpsjon med stor nøyaktighetultralyd i væske- og gassmedier. I 1928 var den sovjetiske forskeren S. Sokolov den første som brukte ultralydbølger for å oppdage ulike defekter i faste stoffer, inkludert metalliske.
I etterkrigstiden på 50-60-tallet, basert på den teoretiske utviklingen til et team av sovjetiske forskere ledet av L. D. Rozenberg, begynte ultralyd å bli mye brukt i ulike industrielle og teknologiske felt. På samme tid, takket være arbeidet til britiske og amerikanske forskere, samt forskningen til sovjetiske forskere som R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov og mange andre, er en slik vitenskapelig disiplin som ikke-lineær akustikk i rask utvikling.
Omtrent samtidig ble de første amerikanske forsøkene på å bruke ultralyd i medisin gjort.
Den sovjetiske vitenskapsmannen Sokolov utviklet på slutten av førtitallet av forrige århundre en teoretisk beskrivelse av et instrument designet for å visualisere ugjennomsiktige objekter - et "ultralyd" mikroskop. Basert på disse arbeidene, på midten av 70-tallet, skapte eksperter fra Stanford University en prototype av et skanningsakustisk mikroskop.
Funksjoner
Bølgene i det hørbare området, så vel som ultralydbølger, adlyder fysiske lover. Men ultralyd har en rekke funksjoner som gjør at den kan brukes mye innen ulike felt innen vitenskap, medisin og teknologi:
1. Liten bølgelengde. For det laveste ultralydområdet overstiger det ikke noen få centimeter, noe som forårsaker strålenaturen til signalutbredelsen. Samtidig bølgenfokusert og forplantet av lineære stråler.
2. Ubetydelig oscillasjonsperiode, på grunn av hvilken ultralyd kan sendes ut i pulser.
3. I ulike miljøer har ultralydvibrasjoner med en bølgelengde på ikke over 10 mm egenskaper som ligner lysstråler, noe som gjør det mulig å fokusere vibrasjoner, danne rettet stråling, det vil si ikke bare sende energi i riktig retning, men også konsentrere den i nødvendig volum.
4. Med liten amplitude er det mulig å oppnå høye verdier av vibrasjonsenergi, som gjør det mulig å lage høyenergi-ultralydfelt og -stråler uten bruk av stort utstyr.
5. Under påvirkning av ultralyd på miljøet er det mange spesifikke fysiske, biologiske, kjemiske og medisinske effekter, som:
- dispersion;
- cavitation;
- avgassing;
- lokalvarme;
- desinfeksjon og mer. andre
Visninger
Alle ultralydfrekvenser er delt inn i tre typer:
- ULF - lav, med et område på 20 til 100 kHz;
- MF - mellomtone - fra 0,1 til 10 MHz;
- UZVCh - høyfrekvens - fra 10 til 1000 MHz.
I dag er den praktiske bruken av ultralyd primært bruk av lavintensitetsbølger for å måle, kontrollere og studere den indre strukturen til ulike materialer og produkter. Høyfrekvente brukes til å aktivt påvirke ulike stoffer, som lar deg endre egenskapene deresog struktur. Diagnostisering og behandling av mange sykdommer med ultralyd (ved bruk av ulike frekvenser) er et eget og aktivt utviklende område innen moderne medisin.
Hvor gjelder det?
I de siste tiårene har ikke bare vitenskapelige teoretikere vært interessert i ultralyd, men også utøvere som i økende grad introduserer det i ulike typer menneskelig aktivitet. I dag brukes ultralydenheter for:
| Få informasjon om stoffer og materialer | Events | Frekvens i kHz | ||
| from | to | |||
| Forskning på stoffers sammensetning og egenskaper | solid bodys | 10 | 106 | |
| liquids | 103 | 105 | ||
| gases | 10 | 103 | ||
| Kontroller størrelser og nivåer | 10 | 103 | ||
| sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopi | 100 | 105 | ||
| Medisinsk diagnostikk | 103 | 105 | ||
|
Impacts på stoffer |
Lodding og plettering | 10 | 100 | |
| Sveising | 10 | 100 | ||
| Plastisk deformasjon | 10 | 100 | ||
| Machining | 10 | 100 | ||
| Emulsification | 10 | 104 | ||
| Crystallization | 10 | 100 | ||
| Spray | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosolkoagulering | 1 | 100 | ||
| Dispersion | 10 | 100 | ||
| Rengjøring | 10 | 100 | ||
| Kjemiske prosesser | 10 | 100 | ||
| påvirkning på forbrenning | 1 | 100 | ||
| Kirurgi | 10 til 100 | 103 til 104 | ||
| Terapi | 103 | 104 | ||
| Signalbehandling og -administrasjon | Akustoelelektroniske transdusere | 103 | 107 | |
| Filtre | 10 | 105 | ||
| Forsinkede linjer | 103 | 107 | ||
| Akusto-optiske enheter | 100 | 105 | ||
I dagens verden er ultralyd et viktig teknologisk verktøy i bransjer som:
- metallurgisk;
- kjemikalier;
- agricultural;
- tekstil;
- mat;
- farmakologisk;
- maskin- og instrumentproduksjon;
- petrokjemi, raffinering og annet.
I tillegg blir ultralyd i økende grad brukt innen medisin. Det er det vi skal snakke om i neste avsnitt.
Medisinsk bruk
I moderne praktisk medisin er det tre hovedområder for bruk av ultralyd med ulike frekvenser:
1. Diagnostisk.
2. Terapeutisk.
3. Kirurgisk.
La oss se nærmere på hvert av disse tre områdene.
Diagnose
En av de mest moderne og informative metodene for medisinsk diagnostikk er ultralyd. Dens utvilsomme fordeler er: minimal innvirkning på menneskelig vev og høyt informasjonsinnhold.
Som allerede nevnt er ultralyd lydbølger,forplante seg i et homogent medium i en rett linje og med konstant hastighet. Hvis det er områder med forskjellige akustiske tettheter på vei, reflekteres en del av svingningene, og den andre delen brytes, mens den fortsetter sin rettlinjede bevegelse. Jo større forskjellen er i tettheten til grensemediene, desto flere ultralydvibrasjoner reflekteres. Moderne metoder for ultralydundersøkelse kan deles inn i lokalisert og gjennomskinnelig.
ultrasonisk plassering
I prosessen med en slik studie registreres pulser som reflekteres fra grensene til medier med forskjellige akustiske tettheter. Ved hjelp av en bevegelig sensor kan du stille inn størrelse, plassering og form på objektet som studeres.
Translucent
Denne metoden er basert på det faktum at forskjellige vev i menneskekroppen absorberer ultralyd ulikt. Under studiet av ethvert indre organ blir en bølge med en viss intensitet rettet inn i det, hvoretter det overførte signalet registreres fra baksiden med en spesiell sensor. Bildet av det skannede objektet reproduseres basert på endringen i signalintensitet ved "inngang" og "utgang". Den mottatte informasjonen behandles og konverteres av en datamaskin i form av et ekkogram (kurve) eller et sonogram - et todimensjon alt bilde.
Doppler-metode
Dette er den mest aktivt utviklende diagnostiske metoden, som bruker både pulsert og kontinuerlig ultralyd. Dopplerografi er mye brukt i obstetrikk, kardiologi og onkologi, ettersom det tillater detspor selv de minste forandringene i kapillærer og små blodårer.
Anvendelsesområder for diagnostikk
I dag er ultralydavbildning og målemetoder mest brukt innen medisinske felt som:
- obstetrics;
- oftalmologi;
- kardiologi;
- nevrologi av nyfødte og spedbarn;
- undersøkelse av indre organer:
- nyre-ultralyd;
- lever;
- galleblære og kanaler;
- kvinnelig reproduksjonssystem;
diagnose av ytre og overfladiske organer (skjoldbruskkjertel og brystkjertler)
Bruk i terapi
Den viktigste terapeutiske effekten av ultralyd skyldes dens evne til å penetrere menneskelig vev, varme opp og varme dem opp og utføre mikromassasje av individuelle områder. Ultralyd kan brukes til både direkte og indirekte effekter på smertefokus. I tillegg, under visse forhold, har disse bølgene en bakteriedrepende, anti-inflammatorisk, smertestillende og antispasmodisk effekt. Ultralyd brukt til terapeutiske formål er betinget delt inn i høy- og lavintensitetsvibrasjoner.
Det er lavintensitetsbølgene som er mest brukt for å stimulere fysiologiske responser eller lett, ikke-skadelig oppvarming. Ultralydbehandling har vist positive resultater ved sykdommer som:
- artritt;
- artritt;
- myalgi;
- spondylitt;
- nevralgi;
- åreknuter og trofiske sår;
- ankyloserende spondylitt;
- utslettende endarteritt.
Studier er i gang som bruker ultralyd for å behandle Menieres sykdom, emfysem, duodenalsår og magesår, astma, otosklerose.
ultrasonisk kirurgi
Moderne kirurgi ved bruk av ultralydbølger er delt inn i to områder:
- selektiv ødeleggelse av vevsområder med spesielle kontrollerte høyintensitets ultralydbølger med frekvenser fra 106 til 107 Hz;
- bruk av et kirurgisk instrument med overlagrede ultralydvibrasjoner fra 20 til 75 kHz.
Et eksempel på selektiv ultralydkirurgi er knusing av steiner ved ultralyd i nyrene. I prosessen med en slik ikke-invasiv operasjon, virker en ultralydbølge på steinen gjennom huden, det vil si utenfor menneskekroppen.
Dessverre har denne operasjonsmetoden en rekke begrensninger. Ikke bruk ultralydknusing i følgende tilfeller:
- gravide kvinner når som helst;
- hvis diameteren på steinene er mer enn to centimeter;
- for alle infeksjonssykdommer;
- i nærvær av sykdommer som forstyrrer normal blodpropp;
- ved alvorlige beinlesjoner.
Til tross for at fjerning av nyrestein ved ultralyd utføres uten operasjonsnitt, det er ganske smertefullt og utføres under generell eller lokal anestesi.
Kirurgiske ultralydinstrumenter brukes ikke bare for mindre smertefull disseksjon av bein og bløtvev, men også for å redusere blodtap.
La oss rette oppmerksomheten mot tannbehandling. Ultralyd fjerner tannstein mindre smertefullt, og alle andre leges manipulasjoner er mye lettere å bære. I tillegg, i traumer og ortopedisk praksis, brukes ultralyd for å gjenopprette integriteten til brukne bein. Under slike operasjoner blir rommet mellom beinfragmentene fylt med en spesiell forbindelse bestående av beinflis og en spesiell flytende plast, og deretter blir den utsatt for ultralyd, på grunn av hvilken alle komponentene er godt forbundet. De som har gjennomgått kirurgiske inngrep der ultralyd ble brukt, gir forskjellige anmeldelser - både positive og negative. Det skal imidlertid bemerkes at det fortsatt er flere fornøyde pasienter!
