Walaupun fakta bahawa kajian gelombang ultrasonik bermula lebih daripada seratus tahun yang lalu, hanya separuh abad yang lalu ia telah digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang aktiviti manusia. Ini disebabkan oleh perkembangan aktif kedua-dua bahagian kuantum dan bukan linear akustik, dan elektronik kuantum dan fizik keadaan pepejal. Hari ini, ultrabunyi bukan sekadar sebutan bagi kawasan frekuensi tinggi gelombang akustik, tetapi keseluruhan hala tuju saintifik dalam fizik dan biologi moden, yang dikaitkan dengan teknologi perindustrian, maklumat dan pengukuran, serta kaedah diagnostik, pembedahan dan terapeutik perubatan moden.
Apakah ini?
Semua gelombang bunyi boleh dibahagikan kepada yang boleh didengari oleh manusia - ini ialah frekuensi dari 16 hingga 18 ribu Hz, dan yang berada di luar julat persepsi manusia - inframerah dan ultrasound. Infrasound difahami sebagai gelombang yang serupa dengan bunyi, tetapi dengan frekuensi yang lebih rendah daripada yang dirasakan oleh telinga manusia. Had atas kawasan infrasonik ialah 16 Hz dan had bawah ialah 0.001 Hz.
Ultrasound- ini juga gelombang bunyi, tetapi hanya frekuensinya lebih tinggi daripada yang boleh dirasakan oleh alat pendengaran manusia. Sebagai peraturan, mereka bermaksud frekuensi dari 20 hingga 106 kHz. Had atasnya bergantung pada medium di mana gelombang ini merambat. Jadi, dalam medium gas, hadnya ialah 106 kHz, dan dalam pepejal dan cecair ia mencapai 1010 kHz. Terdapat komponen ultrasonik dalam bunyi hujan, angin atau air terjun, pelepasan kilat dan gemerisik batu kerikil yang digulung oleh ombak laut. Berkat keupayaan untuk melihat dan menganalisis gelombang ultrasonik, paus dan ikan lumba-lumba, kelawar dan serangga malam mengorientasikan diri mereka di angkasa.
Sedikit sejarah
Kajian pertama ultrasound (AS) telah dijalankan pada awal abad ke-19 oleh saintis Perancis F. Savart, yang berusaha untuk mengetahui had frekuensi atas kebolehdengaran alat bantu pendengaran manusia. Pada masa hadapan, saintis terkenal seperti Jerman V. Vin, Inggeris F. G alton, Rusia P. Lebedev dan sekumpulan pelajar terlibat dalam kajian gelombang ultrasonik.
Pada tahun 1916, ahli fizik Perancis P. Langevin, dengan kerjasama saintis imigran Rusia Konstantin Shilovsky, dapat menggunakan kuarza untuk menerima dan memancarkan ultrasound untuk pengukuran marin dan mengesan objek bawah air, yang membolehkan penyelidik mencipta yang pertama. sonar, yang terdiri daripada pemancar dan penerima ultrasound.
Pada tahun 1925, W. Pierce Amerika mencipta peranti, hari ini dipanggil interferometer Pierce, yang mengukur halaju dan penyerapan dengan sangat tepat.ultrasound dalam media cecair dan gas. Pada tahun 1928, saintis Soviet S. Sokolov adalah yang pertama menggunakan gelombang ultrasonik untuk mengesan pelbagai kecacatan pada pepejal, termasuk yang logam.
Pada 50-60an selepas perang, berdasarkan perkembangan teori pasukan saintis Soviet yang diketuai oleh L. D. Rozenberg, ultrasound mula digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang perindustrian dan teknologi. Pada masa yang sama, terima kasih kepada kerja saintis British dan Amerika, serta penyelidikan penyelidik Soviet seperti R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov dan ramai lagi, disiplin saintifik seperti akustik tak linear berkembang pesat.
Pada masa yang sama, percubaan pertama Amerika menggunakan ultrasound dalam bidang perubatan telah dibuat.
Saintis Soviet Sokolov pada penghujung empat puluhan abad yang lalu telah membangunkan penerangan teori tentang instrumen yang direka untuk menggambarkan objek legap - mikroskop "ultrasonik". Berdasarkan karya ini, pada pertengahan 70-an, pakar dari Universiti Stanford mencipta prototaip mikroskop akustik pengimbasan.
Ciri
Mempunyai sifat yang sama, gelombang julat yang boleh didengar, serta gelombang ultrasonik, mematuhi undang-undang fizikal. Tetapi ultrasound mempunyai beberapa ciri yang membolehkannya digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang sains, perubatan dan teknologi:
1. Panjang gelombang kecil. Untuk julat ultrasonik yang paling rendah, ia tidak melebihi beberapa sentimeter, menyebabkan sifat sinar perambatan isyarat. Pada masa yang sama, gelombangdifokuskan dan disebarkan oleh rasuk linear.
2. Tempoh ayunan yang tidak ketara, kerana ultrasound boleh dipancarkan dalam denyutan.
3. Dalam pelbagai persekitaran, getaran ultrasonik dengan panjang gelombang tidak melebihi 10 mm mempunyai sifat yang serupa dengan sinaran cahaya, yang memungkinkan untuk memfokuskan getaran, membentuk sinaran terarah, iaitu, bukan sahaja menghantar tenaga ke arah yang betul, tetapi juga menumpukan pada volum yang diperlukan.
4. Dengan amplitud yang kecil, adalah mungkin untuk memperoleh nilai tenaga getaran yang tinggi, yang memungkinkan untuk mencipta medan dan rasuk ultrasonik bertenaga tinggi tanpa menggunakan peralatan yang besar.
5. Di bawah pengaruh ultrasound pada alam sekitar, terdapat banyak kesan fizikal, biologi, kimia dan perubatan tertentu, seperti:
- dispersi;
- peronggaan;
- degassing;
- pemanasan setempat;
- disinfeksi dan banyak lagi. yang lain
Paparan
Semua frekuensi ultrasonik dibahagikan kepada tiga jenis:
- ULF - rendah, dengan julat 20 hingga 100 kHz;
- MF - jarak pertengahan - dari 0.1 hingga 10 MHz;
- UZVCh - frekuensi tinggi - dari 10 hingga 1000 MHz.
Hari ini, penggunaan praktikal ultrasound adalah terutamanya penggunaan gelombang berintensiti rendah untuk mengukur, mengawal dan mengkaji struktur dalaman pelbagai bahan dan produk. Frekuensi tinggi digunakan untuk mempengaruhi pelbagai bahan secara aktif, yang membolehkan anda menukar sifatnyadan struktur. Diagnosis dan rawatan banyak penyakit dengan ultrasound (menggunakan frekuensi yang berbeza) adalah bidang perubatan moden yang berasingan dan sedang berkembang secara aktif.
Di manakah ia terpakai?
Dalam beberapa dekad kebelakangan ini, bukan sahaja ahli teori saintifik berminat dengan ultrasound, tetapi juga pengamal yang semakin memperkenalkannya ke dalam pelbagai jenis aktiviti manusia. Hari ini unit ultrasonik digunakan untuk:
| Mendapatkan maklumat tentang bahan dan bahan | Acara | Kekerapan dalam kHz | ||
| dari | kepada | |||
| Penyelidikan tentang komposisi dan sifat bahan | badan padat | 10 | 106 | |
| cecair | 103 | 105 | ||
| gas | 10 | 103 | ||
| Kawal saiz dan tahap | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defectoscopy | 100 | 105 | ||
| Diagnostik perubatan | 103 | 105 | ||
|
Kesan pada bahan |
Pematerian dan penyaduran | 10 | 100 | |
| Kimpalan | 10 | 100 | ||
| Ubah bentuk plastik | 10 | 100 | ||
| Pemesinan | 10 | 100 | ||
| Pengemulsi | 10 | 104 | ||
| Penghabluran | 10 | 100 | ||
| Sembur | 10-100 | 103-104 | ||
| Pembekuan aerosol | 1 | 100 | ||
| Penyebaran | 10 | 100 | ||
| Pembersihan | 10 | 100 | ||
| Proses kimia | 10 | 100 | ||
| Pengaruh pada pembakaran | 1 | 100 | ||
| Pembedahan | 10 hingga 100 | 103 hingga 104 | ||
| Terapi | 103 | 104 | ||
| Pemprosesan dan pengurusan isyarat | Transduser Acoustoelectronic | 103 | 107 | |
| Penapis | 10 | 105 | ||
| Talian kelewatan | 103 | 107 | ||
| Peranti akusto-optik | 100 | 105 | ||
Dalam dunia hari ini, ultrasound ialah alat teknologi yang penting dalam industri seperti:
- metalurgikal;
- kimia;
- pertanian;
- tekstil;
- makanan;
- farmakologi;
- mesin dan pembuatan instrumen;
- petrokimia, penapisan dan lain-lain.
Selain itu, ultrasound semakin digunakan dalam perubatan. Itulah yang akan kita bincangkan dalam bahagian seterusnya.
Penggunaan perubatan
Dalam perubatan praktikal moden, terdapat tiga bidang utama penggunaan ultrasound pelbagai frekuensi:
1. Diagnostik.
2. Terapeutik.
3. Pembedahan.
Mari kita lihat dengan lebih dekat setiap tiga kawasan ini.
Diagnosis
Salah satu kaedah diagnostik perubatan yang paling moden dan bermaklumat ialah ultrasound. Kelebihannya yang tidak diragui ialah: kesan minimum pada tisu manusia dan kandungan maklumat yang tinggi.
Seperti yang telah disebutkan, ultrasound ialah gelombang bunyi,merambat dalam medium homogen dalam garis lurus dan pada kelajuan tetap. Jika terdapat kawasan dengan ketumpatan akustik yang berbeza dalam perjalanannya, maka sebahagian daripada ayunan dipantulkan, dan bahagian lain dibiaskan, sambil meneruskan pergerakan rectilinearnya. Oleh itu, lebih besar perbezaan dalam ketumpatan media sempadan, lebih banyak getaran ultrasonik dipantulkan. Kaedah moden pemeriksaan ultrasound boleh dibahagikan kepada lokasi dan lut sinar.
Lokasi ultrasonik
Dalam proses kajian sedemikian, denyutan yang dipantulkan dari sempadan media dengan ketumpatan akustik berbeza direkodkan. Dengan bantuan penderia boleh alih, anda boleh menetapkan saiz, lokasi dan bentuk objek yang sedang dikaji.
Lutsinar
Kaedah ini berdasarkan fakta bahawa tisu badan manusia yang berbeza menyerap ultrasound secara berbeza. Semasa kajian mana-mana organ dalaman, gelombang dengan intensiti tertentu diarahkan ke dalamnya, selepas itu isyarat yang dihantar direkodkan dari sisi belakang dengan sensor khas. Gambar objek yang diimbas diterbitkan semula berdasarkan perubahan keamatan isyarat pada "input" dan "output". Maklumat yang diterima diproses dan ditukar oleh komputer dalam bentuk echogram (lengkung) atau sonogram - imej dua dimensi.
Kaedah Doppler
Ini adalah kaedah diagnostik yang paling aktif membangunkan, yang menggunakan kedua-dua ultrasound berdenyut dan berterusan. Dopplerography digunakan secara meluas dalam obstetrik, kardiologi dan onkologi, seperti yang dibenarkanjejaki walaupun perubahan terkecil dalam kapilari dan saluran darah kecil.
Bidang aplikasi diagnostik
Hari ini, kaedah pengimejan dan pengukuran ultrasound paling banyak digunakan dalam bidang perubatan seperti:
- obstetrik;
- oftalmologi;
- kardiologi;
- neurologi bayi baru lahir dan bayi;
- pemeriksaan organ dalaman:
- ultrasound buah pinggang;
- hati;
- pundi hempedu dan saluran;
- sistem pembiakan wanita;
diagnosis organ luaran dan dangkal (tiroid dan kelenjar susu)
Gunakan dalam terapi
Kesan terapeutik utama ultrasound adalah kerana keupayaannya untuk menembusi tisu manusia, memanaskan dan memanaskannya, serta melakukan urutan mikro di kawasan individu. Ultrasound boleh digunakan untuk kesan langsung dan tidak langsung pada fokus kesakitan. Di samping itu, dalam keadaan tertentu, gelombang ini mempunyai kesan bakteria, anti-radang, analgesik dan antispasmodik. Ultrasound yang digunakan untuk tujuan terapeutik dibahagikan secara bersyarat kepada getaran intensiti tinggi dan rendah.
Ia adalah gelombang berintensiti rendah yang paling banyak digunakan untuk merangsang tindak balas fisiologi atau pemanasan yang sedikit dan tidak merosakkan. Rawatan ultrabunyi telah menunjukkan hasil positif dalam penyakit seperti:
- arthritis;
- arthritis;
- myalgia;
- spondylitis;
- neuralgia;
- ulser varikos dan trofik;
- Ankylosing spondylitis;
- menghilangkan endarteritis.
Kajian sedang dijalankan yang menggunakan ultrasound untuk merawat penyakit Meniere, emfisema, duodenal dan ulser gastrik, asma, otosklerosis.
Pembedahan Ultrasonik
Pembedahan moden menggunakan gelombang ultrasound terbahagi kepada dua kawasan:
- memusnahkan kawasan tisu secara terpilih dengan gelombang ultrasonik intensiti tinggi terkawal khas dengan frekuensi daripada 106 hingga 107 Hz;
- menggunakan alat pembedahan dengan getaran ultrasonik bertindih dari 20 hingga 75 kHz.
Contoh pembedahan ultrasound terpilih ialah penghancuran batu oleh ultrasound di buah pinggang. Dalam proses operasi bukan invasif sedemikian, gelombang ultrasonik bertindak pada batu melalui kulit, iaitu, di luar badan manusia.
Malangnya, kaedah pembedahan ini mempunyai beberapa batasan. Jangan gunakan penghancur ultrasonik dalam kes berikut:
- wanita hamil pada bila-bila masa;
- jika diameter batu lebih daripada dua sentimeter;
- untuk sebarang penyakit berjangkit;
- dengan kehadiran penyakit yang mengganggu pembekuan darah normal;
- sekiranya berlaku lesi tulang yang teruk.
Walaupun fakta bahawa penyingkiran batu karang oleh ultrasound dilakukan tanpa pembedahanhirisan, ia agak menyakitkan dan dilakukan di bawah bius am atau tempatan.
Alat ultrasonik pembedahan digunakan bukan sahaja untuk pembedahan tulang dan tisu lembut yang kurang menyakitkan, tetapi juga untuk mengurangkan kehilangan darah.
Mari kita alihkan perhatian kita ke arah pergigian. Ultrasound membuang batu gigi kurang menyakitkan, dan semua manipulasi doktor lain lebih mudah untuk ditanggung. Di samping itu, dalam trauma dan amalan ortopedik, ultrasound digunakan untuk memulihkan integriti tulang yang patah. Semasa operasi sedemikian, ruang antara serpihan tulang diisi dengan sebatian khas yang terdiri daripada serpihan tulang dan plastik cecair khas, dan kemudian ia terdedah kepada ultrasound, kerana semua komponen disambungkan dengan kuat. Mereka yang telah menjalani campur tangan pembedahan semasa ultrasound digunakan meninggalkan ulasan yang berbeza - positif dan negatif. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa masih terdapat lebih ramai pesakit yang berpuas hati!
