Ульрозвук

Лекция № 1

Физические характеристики ультразвука как физического фактора

Литература

                                                                 слайд № 0

1. А.Н.Ремизов, А.Г.Максина, А.Я.Потапенко. Медицинская и биологическая физика.-М.: Дрофа, 2010 г.
2. В.Ф. Антонов, А.М. Черныш и др. Физика и биофизика.-М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008 г.
3. В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами. .-М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008 г.
4. В.Н. Федорова, Л.А. Степанова. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. –М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005 г.
5. М.Е. Блохина, И.А. Эсаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. .-М.: Дрофа, 2003 г.
6. В.Ф. Антонов, А.М. Черныш и др. Практикум по биофизике.-М.: Владос, 2001 г.

 

     Неслышимые  звуки... Непривычное сочетание слов. Между тем такие звуки действительно  существуют в природе, и в них  нет ничего необыкновенного. С  ними, сами того не замечая, мы  встречаемся на каждом шагу. Ультразвуки  наряду со слышимыми звуками  издают тикающие часы, летящий  самолет, телефонный звонок.

     Применение  ультразвуковых колебаний для  исследования внутренней структуры  вещества ведет начало с 1928 года, когда был создан метод ультразвуковой  дефектоскопии, т.е. способ обнаружения  раковин, пор, трещин в металлических  отливках. Физической основой этого  метода является различие в  пропускании ультразвука сплошным  металлом и при наличии в  нем неоднородности. Измеряя интенсивность  прошедшей через отливку ультразвуковой  волны, можно обнаружить указанные  выше дефекты. В 1935 году был разработан  метод выявления ультразвукового  эха, т.е. отражения от встречающихся  на пути распространения ультразвуковой  волны различных дефектов и  инородных включений. Оба описанных  метода нашли применение в  медицине. В 40-х годах для исследования  внутричерепных повреждений измеряли  интенсивность ультразвука, прошедшего  через череп и мозг больного, а в 50-х годах появились медицинские  аппараты, работающие по принципу  эха.    

          Изучением ультразвука и его  применением занимается большое  количество различных институтов  и лабораторий как в нашей  стране так и за рубежом. Такие  лаборатории имеются на физических  факультетах  МГУ, ЛГУ и других  университетах страны. В университетских  лабораториях Англии, Японии, Франции, Германии, Италии и других.

Применение ультразвука в медицине существенно обогатило арсенал диагностических и лечебных методов, позволило не только бороться с некоторыми болезнями, но и повышать жизнеспособность и сопротивляемость здорового организма неблагоприятным внешним условиям.

     Ультразвук  – упругие колебания и волны  с частотами приблизительно от 20 кГц и до 1ГГц. Область частот  ультразвука от 1 до 1000 ГГц принято  называть гиперзвуком. Ультразвуковые  частоты делятся на три диапазона:

- УНЧ ( ультразвук низких  частот) – 20-100 кГц;

- УСЧ (ультразвук средних  частот) – 0,1-10 МГц;          слайд № 1

- УЗВЧ (ультразвук высоких  частот) – 10-1000 МГц;

Каждый диапазон имеет свои особенности медицинского применения.

                 Излучатели и приемники ультразвука

    Для получения ультразвука используют

- обратный пьезоэлектрический  эффект;

- магнитострикцию;                                                  слайд №2

- электрострикцию;

      Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Колебания пластинки передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

   Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют линейные размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень в переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, по которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

    Некоторые материалы (например, керамики) способны изменять  свои размеры в электрическом  поле. Это явление, получившее название электрострикции, внешне отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

     Преобразователи, в которых используют описанные  выше явления, называют соответственно  пьезоэлектрическими, магнитострикционными  и электрострикционными.   

          Излучатели ультразвука. Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис.1)

                                                                                слайд №3

1. пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;
2. электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;
3. генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

     При подаче  на электроды (2) переменного напряжения  от генератора (3) пластина (1) испытывает  периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте  изменения напряжения. Эти колебания  передаются частицам окружающей  среды, создавая механическую волну  с соответствующей частотой. Амплитуда  колебаний частиц среды вблизи  излучателя равна амплитуде колебаний  пластины.

     К особенностям  ультразвука относится возможность  получения волн большой интенсивности  даже при сравнительно небольших  амплитудах колебаний, так как  при данной амплитуде плотность  потока энергии пропорциональна квадрату частоты.

                                   I = ρ ω2 ʋ А2 / 2                                                               (1)

Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования.

Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10 -14 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 .

     Для многих  целей необходимы значительно  большие интенсивности, чем те  которые могут быть получены  с поверхности излучателя. В этих  случаях можно воспользоваться  фокусировкой.    

Приемники ультразвука. Электромеханические УЗ-приемники (рис.2) используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта.

                                                                                              слайд №4

 В этом случае под  действием УЗ волны возникают  колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на  электродах (2) возникает переменное  напряжение, которое фиксируется  регистрирующей системой (3).

   В большинстве  медицинских приборов генератор  ультразвуковых волн одновременно  используется и как их приемник.

      Рассмотрим свойства ультразвука, обуславливающие его широкое диагностическое и лечебное применение.

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330м/с, в жидкости – 1500 м/с. Однако существуют особенности.

а) Малая длина волны. Направленность. Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ=υ/ν , найдем: для звука с частотой 1 кГц длина волны  λзв=1500/1000=1,5 м; для ультразвука  с частотой 1 МГц длина волны λуз=1500/1 000 000=1.5 мм.

     Благодаря  малой длине волны отражение  и дифракция УЗ происходит  на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны с λ=1,5 м, но станет преградой для УЗ волны с λ=1,5 мм. При этом возникает УЗ тень, поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей  и применять к ним законы отражения и преломления. То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.

б) Преломление и отражение. Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Законы, которым подчиняются эти явления полностью аналогичны законам отражения и преломления света. Поэтому во многих случаях распространение УЗ волн изображают с помощью лучей.

Отражение ультразвуковой волны от границы раздела двух сред с различными свойствами, рис.3

 

                                                                                                   слайд №5

     Для количественной  характеристики процесса вводят  понятие коэффициента отражения   R=Iотр  /I о  , где    Iотр  - интенсивность отраженной ультразвуковой волны;   I о - интенсивность падающей. Это безразмерная величина, меняющаяся в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).

                                                                                                     слайд № 6

В случае, представленном на рис.3 (нормальное падение волны на границу раздела), этот коэффициент может быть найден по формуле:

                                R=(ρ1υ1- ρ2υ2  / ρ1υ1+ρ2υ2  )2                          (2)

где  ρ1 и ρ2 - плотности первой и второй среды соответственно;   υ1 и υ2    -скорости ультразвука в этих средах.

     Видно, что  чем сильнее различаются волновые  сопротивления (ρυ) сред, тем больше  доля отраженной энергии и  меньше доля энергии, переходящей  через границу раздела.

     Волновое сопротивление  биологических сред примерно  в 3000 раз больше волнового сопротивления  воздуха (R=1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.

     Смазка должна  удовлетворять соответствующим  требованиям: иметь акустическое  сопротивление, близкое к акустическому  сопротивлению кожи, обладать малым  коэффициентом поглощения УЗ, иметь  значительную вязкость, хорошо смачивать  кожу, быть нетоксичной (вазелиновое  масло, глицерин и др.).

   в) Поглощение, глубина полупоглощения. Следующим важным свойством  ультразвука является его поглощение в средах: энергия механических колебаний частиц среды превращается в энергию их теплового движения. Поглощаемая при этом средой энергия механической волны обуславливает нагревание среды. Этот эффект описывается формулой:

                            I = Iо.  е-кl                                                                           (3)

где   Io   - интенсивность ультразвуковой волны, прошедшей расстояние   l    в среде; Io- начальная интенсивность; к – коэффициент поглощения ультразвука в среде; е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71).

     Графически  этот закон иллюстрируется рисунком 4.

                                                                                             слайд № 7

 

Рис.4. Поглощение ультразвука в двух средах: коэффициент поглощения во второй среде больше, чем в первой.

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения .

     Глубина  полупоглощения – это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.

Глубина  полупоглощения для различных тканей имеет различное значение. Поэтому в медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей: малая – 1,5 Вт/м2, средняя – (1,5-3) Вт/м2 и большая –(3-10)Вт/м2.