Ультразвук и его использование в технике и медицине

 

 

 

Тема:

«Ультразвук и его использование в технике и медицине»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                     Воробьев, Илья

                                                                                                                                         525-КД9-1ПИН

Введение

Двадцать первый век - век  атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке  сравнительно молода. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука  были проведены великим русским  ученым-физиком П. Н. Лебедевым в  конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые. Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности  по сравнению со звуками слышимого  диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки, медицины  и техники. В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе.

Характеристика  ультразвука

Ультразвук (УЗ) – упругие  колебания и волны, частота которых  превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница  области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет 109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 1012-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

низкие УЗ-вые частоты (1,5чх104-105Гц);

средние-(105-107Гц)

высокие-(107-109Гц)

Упругие волны частотами 109-1013Гц принято называть гиперзвуком.

Физические свойства и особенности  распространения ультразвука.

 По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. УЗ в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость УЗ с и коэффициент поглощения a, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика. Характерная особенность распространения УЗ в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения УЗ в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории , которая описывает распространение УЗ в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости и особенно a от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).

  Следующая УЗ — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением. Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности УЗ и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости УЗ.

 Приём и обнаружение ультразвука.

 Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма УЗ. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: УЗ, распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света на УЗ. И её различным применениям.

Применение ультразвука в технике.

 По данным измерений и a, во многих технических задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава различных жидкостей и т.д.). Используя явление отражения УЗ на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. УЗ сравнительно малой интенсивности (до ~0,1 Вт/см 2) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.). Быстро развивается направление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу (конструкции) твёрдого тела он "потрескивает" (подобно тому, как при изгибе "потрескивает" оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает движение дислокаций, которые при определённых условиях (до конца ещё пока не выясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность дислокаций и субмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащим частоты УЗ. При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. При помощи УЗ осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощи УЗ видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета. Развитие голографии привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии.

Весьма важную роль УЗ играет в гидроакустике, поскольку упругие  волны являются единственным видом  волн, хорошо распространяющимся в  морской воде. На принципе отражения  ультразвуковых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, строится работа таких приборов, как  эхолот, гидролокатор

Применение ультразвука в медицине.

Эхо-импульсивные методы визуализации и измерений.

 Эхо-импульсные методы в настоящее время стали широко применятся во многих областях медицины. Методы ультразвуковой эхо-импульсной визуализации уже нашли широкое и разнообразное применение в медицине. Основным элементом любой системы визуализации является электроакустический преобразователь, который служит для излучения зондирующего акустического импульса в объект и для приема акустических эхо-сигналов, переизлучаемых мишенью. Приемник представляет собой своего рода систему сопряжения между преобразователем и дисплеем или системой записи, которые применяются для передачи наблюдателю информации, полученной с помощью ультразвука. В хороших системах эхо-сигналы на выходе преобразователя имеют большой динамический диапазон.

 Акушерство.

Акушерство – та область  медицины, где эхо-импульсивные ультразвуковые методы наиболее прочно укоренились как составная часть медицинской практики. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологии и аномалий структур глаза в случае их непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Здесь также важна точность работы и калибровки аппаратуры, необходимо также уделить особое внимание эффектам, связанным  с преломлением ультразвука в хрусталике и роговице. Область позади глаза – орбита доступна ультразвуковому обследованию через глаз, поэтому ультразвук. Вместе компьютерной  томографиейстал одним основных методовнеинвазивного исследования патологий этой области. Структуры орбиты имеют малые размеры и требуют хорошего пространственного разрешения и разрешения по контрасту, что достижимо на высоких частотах. Практические сложности могут возникать, однако, если пытаться использовать аппаратуру, характеристики которой заимствованы из телевизионной техники, а полоса пропускания соответственно ограничена.

Исследования внутренних органов.

Под таким заголовком можно  рассмотреть множество разнообразных  задач, в основном связанных с  исследованием брюшной полости, где ультразвук используется для  обнаружения и распознавания  аномалий анатомических структур и  тканей. Зачастую задача такова: есть подозрение на злокачественное образование и необходимо отличить его от доброкачественных или инфекционных по своей природе образований. Приповерхностные И наружные органы. Щитовидная и молочная железы, хотя и легко доступны ультразвуковому обследованию, часто требуют использования водяного и ионного буфера, чтобы на изображение не повлияли аномалии ближней зоны поля. При исследовании щитовидной и паращитовидной железе основное применение ультразвука – различение кистозных и твердых образований, что возможно при хорошем подавлении шума и артефактов, вызванных реверберацией и боковыми лепестками излучения.

Кардиология.

Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных  сосудов. Это связано, в частности, с возможностью быстрого получения  пространственной информации, а также  возможностью ее объединения с томографической визуализацией. Применение ультразвука в терапии и хирургии. Давно известно, что ультразвук, действуя на ткани, вызывает в них биологические изменения. Интерес к изучению этой проблемы обусловлен, с одной стороны, естественным опасением, связанным с возможным риском применения ультразвуковых диагностических систем для визуализации, а с другой – возможностью вызвать изменения в тканях для достижения терапевтического эффекта. Терапевтический ультразвук может быть условно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука низких интенсивностей – не повреждающей нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях основная цель – вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях. Первое направление включает В себя большинство применений ультразвука в физиотерапии и Некоторые виды терапии рака, Второе – ультразвуковую хирургию.