Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей. Применение ультразвуковых исследований в медицине

АО  МЕДИЦИНСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ АСТАНА

КАФЕДРА БИОФИЗИКИ

 

 

 

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

 

На тему: «Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей. Применение ультразвуковых исследований в медицине»

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Касымова Сымбат,

группа 129ОМ

                                                                       Проверила:                    

Содержание

 

   1. Введение

   2. Ультразвук

   3. Ультразвук как  упругие волн

   4. Специфические особенности  ультразвука

   5. Источники и приемники  ультразвука

   6. Механические излучатели

   7. Электроакустические  преобразователи

   8. Приемники ультразвука

   9. Применение ультразвука

   10. Ультразвуковая  очистка

   11. Механическая обработка  сверхтвердых и хрупких материалов

   12. Ультразвуковая  сварка

   13. Ультразвуковая  пайка и лужение

   14. Ускорение производственных  процессов

   15. Ультразвуковая  дефектоскопия

   16. Ультразвук в  радиоэлектронике

   17. Ультразвук в  медицине

   18. Использованная  литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Двадцать первый век - век  атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке  сравнительно молодая. 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 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. В настоящее время  формируется новое направление  химии – ультразвуковая химия, позволяющая  ускорить многие химико-технологические  процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей  молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые  области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено  много практических работ. Разработаны  универсальные и специальные  ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки  для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой  системой охлаждения, преобразователи  с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.   

 

Ультразвук.

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 (1,5104 – 105 Гц);

   * средние (105 – 107 Гц);

   * высокие (107 – 109 Гц).

Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвук как упругие  волны.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые.

Распространение ультразвука  подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона  частот. К основным законам распространения  относятся законы отражения звука  и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука  и рассеяния звука при наличии  препятствий и неоднородностей  в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения  в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение  между длиной волны звука  и  геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия  на пути волны, размером неоднородностей  среды. При D распространение звука  вблизи препятствий происходит в  основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень  отклонения от геометрической картины  распространения и необходимость  учета дифракционных явлений  определяются параметром , где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения  УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности  звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

   * нарушается принцип  суперпозиции и возникает взаимодействие  волн, приводящее к появлению  тонов;

   * изменяется форма  волны, ее спектр обогащается  высшими гармониками и соответственно  растет поглощение;

   * при достижении  некоторого порогового значения  интенсивности УЗ в жидкости  возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов  линейной акустики и возможности  пренебрежения нелинейными эффектами  является:  М  1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

Специфические особенности  ультразвука

Хотя физическая природа  УЗ и определяющие его распространение  основные законы те же, что и для  звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических  особенностей. Эти особенности обусловлены  относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения  УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет  не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение  показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности  в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,31,0 Вт/см2. Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

Источники  и приемники  ультразвука.

В природе УЗ встречается  как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и  среди звуков животного мира. Некоторые  животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука  можно подразделить на две большие  группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей  – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание  твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Механические излучатели

В излучателях первого  типа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи (сирена), при натекании ее на препятствия  различного вида (газоструйные генераторы, свистки).

УЗ сирена – два диска  с большим количеством отверстий, помещенные в камеру (рис. 1).Рис1.  Ультразвуковая механическая сирена.

1 – корпус; 2 – неподвижный диск;

3 – вращающийся диск.

Рис1.  Ультразвуковая механическая сирена.

1 – корпус; 2 – неподвижный диск;

3 – вращающийся диск.

Поступающий под большим  давлением в камеру воздух выходит  через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его  отверстия будут совпадать с  отверстиями неподвижного диска-статора (2) только в определенные моменты  времени. В результате возникнут  пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота  пульсации воздуха, которая определяется по формуле:

,

где N – число отверстий, равнораспределенных по окружности ротора и статора;  - угловая скорость ротора.

Давление в камере сирен  обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см2. Верхний  предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 4050 кГц, однако известны конструкции  с верхним пределом 500 кГц. КПД  генераторов не превышает 60%. Так  как источником излучаемого сиреной  звука являются импульсы газа, вытекающего  из отверстий, частотный спектр сирен  определяется формой этих импульсов. Для  получения синусоидальных колебаний  используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которыми равны  их диаметру. При отверстиях прямоугольной  формы, отстоящих друг от друга на ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения нескольких роторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями расположенными неравномерно и разной формы, можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сирен может достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.

Принцип действия УЗ генератора-свистка  почти такой же, как и обычного милицейского свистка, но размеры его  значительно больше. Поток воздуха  с большой скоростью разбивается  об острый край внутренней полости  генератора, вызывая колебания с  частотой, равной собственной частоте  резонатора. При помощи такого генератора можно создавать колебания с  частотой до 100 Кгц при относительно небольшой мощности. Для получения больших мощностей применяют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения газа выше. Жидкостные генераторы применяют для излучения УЗ в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 2) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором возбуждаются изгибные колебания.