Navzdory skutečnosti, že studium ultrazvukových vln začalo před více než sto lety, teprve v posledním půlstoletí se staly široce používány v různých oblastech lidské činnosti. To je způsobeno aktivním rozvojem jak kvantové, tak nelineární sekce akustiky, kvantové elektroniky a fyziky pevných látek. Ultrazvuk dnes není jen označení vysokofrekvenční oblasti akustického vlnění, ale celý vědecký směr moderní fyziky a biologie, který je spojen s průmyslovými, informačními a měřicími technologiemi, stejně jako s diagnostickými, chirurgickými a terapeutickými metodami moderní medicína.
Co je to?
Všechny zvukové vlny lze rozdělit na ty, které jsou slyšitelné člověkem – jedná se o frekvence od 16 do 18 tisíc Hz, a ty, které jsou mimo dosah lidského vnímání – infračervené a ultrazvukové. Infrazvuk je chápán jako vlny podobné zvuku, ale s frekvencemi nižšími, než jaké vnímá lidské ucho. Horní limit infrazvukové oblasti je 16 Hz a spodní limit je 0,001 Hz.
Ultrazvuk- to jsou také zvukové vlny, ale pouze jejich frekvence je vyšší, než dokáže lidské sluchadlo vnímat. Zpravidla znamenají frekvence od 20 do 106 kHz. Jejich horní hranice závisí na prostředí, ve kterém se tyto vlny šíří. Takže v plynném prostředí je limit 106 kHz a v pevných látkách a kapalinách dosahuje 1010 kHz. V hluku deště, větru nebo vodopádů, výbojích blesků a šumění oblázků valených mořskou vlnou jsou ultrazvukové složky. Právě díky schopnosti vnímat a analyzovat ultrazvukové vlny se velryby a delfíni, netopýři a noční hmyz orientují v prostoru.
Trocha historie
První studie ultrazvuku (US) byly provedeny na počátku 19. století francouzským vědcem F. Savartem, který se snažil zjistit horní frekvenční limit slyšitelnosti lidského sluchadla. Studiem ultrazvukových vln se v budoucnu zabývali takoví známí vědci jako Němec V. Vin, Angličan F. G alton, Rus P. Lebeděv a skupina studentů.
V roce 1916 byl francouzský fyzik P. Langevin ve spolupráci s ruským emigrantským vědcem Konstantinem Shilovskym schopen použít křemen k příjmu a vyzařování ultrazvuku pro námořní měření a detekci podvodních objektů, což výzkumníkům umožnilo vytvořit první sonar, skládající se z vysílače a přijímače ultrazvuku.
V roce 1925 vytvořil Američan W. Pierce zařízení, dnes nazývané Pierceův interferometr, které s velkou přesností měří rychlosti a absorpciultrazvuk v kapalných a plynných médiích. V roce 1928 sovětský vědec S. Sokolov jako první použil ultrazvukové vlny k detekci různých defektů v pevných látkách, včetně těch kovových.
V poválečných 50-60 letech, na základě teoretického vývoje týmu sovětských vědců v čele s L. D. Rozenbergem, se ultrazvuk začal široce používat v různých průmyslových a technologických oblastech. Zároveň se díky práci britských a amerických vědců a také díky výzkumu sovětských výzkumníků, jako jsou R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov a mnoha dalších, rychle rozvíjí taková vědní disciplína, jako je nelineární akustika.
Přibližně ve stejné době byly provedeny první americké pokusy o použití ultrazvuku v medicíně.
Sovětský vědec Sokolov na konci čtyřicátých let minulého století vypracoval teoretický popis přístroje určeného k vizualizaci neprůhledných objektů – „ultrazvukového“mikroskopu. Na základě těchto prací vytvořili v polovině 70. let odborníci ze Stanfordské univerzity prototyp skenovacího akustického mikroskopu.
Funkce
Vlny slyšitelného rozsahu, stejně jako ultrazvukové vlny, mají společnou povahu a podléhají fyzikálním zákonům. Ultrazvuk má však řadu funkcí, které umožňují jeho široké použití v různých oblastech vědy, medicíny a technologie:
1. Malá vlnová délka. Pro nejnižší ultrazvukový rozsah nepřesahuje několik centimetrů, což způsobuje paprskový charakter šíření signálu. Zároveň vlnazaostřené a šířené lineárními paprsky.
2. Nevýznamná perioda oscilací, díky které může být ultrazvuk emitován v pulzech.
3. V různých prostředích mají ultrazvukové vibrace s vlnovou délkou nepřesahující 10 mm vlastnosti podobné světelným paprskům, což umožňuje soustředit vibrace, vytvářet směrované záření, to znamená nejen posílat energii správným směrem, ale také ji koncentrovat do požadovaný objem.
4. S malou amplitudou je možné získat vysoké hodnoty vibrační energie, což umožňuje vytvářet vysokoenergetická ultrazvuková pole a paprsky bez použití velkého zařízení.
5. Pod vlivem ultrazvuku na životní prostředí existuje mnoho specifických fyzikálních, biologických, chemických a lékařských účinků, jako jsou:
- disperze;
- kavitace;
- degassing;
- místní vytápění;
- dezinfekce a další. ostatní
Zobrazení
Všechny ultrazvukové frekvence jsou rozděleny do tří typů:
- ULF – nízká, s rozsahem 20 až 100 kHz;
- MF – střední rozsah – od 0,1 do 10 MHz;
- UZVCh – vysokofrekvenční – od 10 do 1000 MHz.
Praktickým využitím ultrazvuku je dnes především využití vln o nízké intenzitě pro měření, řízení a studium vnitřní struktury různých materiálů a výrobků. Vysokofrekvenční se používají k aktivnímu ovlivňování různých látek, což umožňuje měnit jejich vlastnostia strukturou. Diagnostika a léčba mnoha nemocí pomocí ultrazvuku (pomocí různých frekvencí) je samostatnou a aktivně se rozvíjející oblastí moderní medicíny.
Kde to platí?
V posledních desetiletích se o ultrazvuk zajímají nejen vědečtí teoretici, ale i praktici, kteří jej stále více zavádějí do různých druhů lidské činnosti. Dnes se ultrazvukové jednotky používají pro:
| Získávání informací o látkách a materiálech | Události | Frekvence v kHz | ||
| od | do | |||
| Výzkum složení a vlastností látek | pevná tělesa | 10 | 106 | |
| kapaliny | 103 | 105 | ||
| plyny | 10 | 103 | ||
| Ovládejte velikosti a úrovně | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopie | 100 | 105 | ||
| Lékařská diagnostika | 103 | 105 | ||
|
Dopady o látkách |
Pájení a pokovování | 10 | 100 | |
| Svařování | 10 | 100 | ||
| Plastová deformace | 10 | 100 | ||
| Obrábění | 10 | 100 | ||
| Emulzifikace | 10 | 104 | ||
| Krystalizace | 10 | 100 | ||
| Sprej | 10–100 | 103-104 | ||
| Aerosolová koagulace | 1 | 100 | ||
| Disperze | 10 | 100 | ||
| Čištění | 10 | 100 | ||
| Chemické procesy | 10 | 100 | ||
| Vliv na spalování | 1 | 100 | ||
| Chirurgie | 10 až 100 | 103 až 104 | ||
| Terapie | 103 | 104 | ||
| Zpracování a správa signálů | Akustoelektronické převodníky | 103 | 107 | |
| Filtry | 10 | 105 | ||
| Zpožděné linky | 103 | 107 | ||
| Akustooptická zařízení | 100 | 105 | ||
V dnešním světě je ultrazvuk důležitým technologickým nástrojem v odvětvích, jako jsou:
- metalurgický;
- chemical;
- agricultural;
- textile;
- jídlo;
- pharmacological;
- výroba strojů a nástrojů;
- petrochemie, rafinace a další.
V medicíně se navíc stále více využívá ultrazvuk. To je to, o čem budeme mluvit v další části.
Lékařské použití
V moderní praktické medicíně existují tři hlavní oblasti použití ultrazvuku různých frekvencí:
1. Diagnostika.
2. Terapeutické.
3. Chirurgický.
Podívejme se blíže na každou z těchto tří oblastí.
Diagnostika
Jednou z nejmodernějších a nejinformativnějších metod lékařské diagnostiky je ultrazvuk. Jeho nesporné výhody jsou: minimální dopad na lidské tkáně a vysoký obsah informací.
Jak již bylo zmíněno, ultrazvuk jsou zvukové vlny,šířící se v homogenním prostředí přímočaře a konstantní rychlostí. Pokud jsou na jejich cestě oblasti s různou akustickou hustotou, pak se část kmitů odráží a druhá část se láme, přičemž pokračuje v přímočarém pohybu. Čím větší je tedy rozdíl v hustotě hraničního prostředí, tím více se odráží ultrazvukové vibrace. Moderní metody ultrazvukového vyšetření lze rozdělit na lokalizační a průsvitné.
Ultrazvukové umístění
V procesu takové studie jsou zaznamenávány pulsy odražené od hranic médií s různou akustickou hustotou. Pomocí pohyblivého senzoru můžete nastavit velikost, umístění a tvar studovaného objektu.
Translucent
Tato metoda je založena na skutečnosti, že různé tkáně lidského těla absorbují ultrazvuk různě. Během studia jakéhokoli vnitřního orgánu je do něj nasměrována vlna s určitou intenzitou, po které je přenášený signál zaznamenáván ze zadní strany speciálním senzorem. Obraz snímaného objektu je reprodukován na základě změny intenzity signálu na „vstupu“a „výstupu“. Přijaté informace jsou zpracovány a převedeny počítačem do podoby echogramu (křivky) nebo sonogramu - dvourozměrného obrazu.
Dopplerova metoda
Jedná se o nejaktivněji se rozvíjející diagnostickou metodu, která využívá pulzní i kontinuální ultrazvuk. Dopplerografie je široce používána v porodnictví, kardiologii a onkologii, jak to umožňujesledovat i ty nejmenší změny v kapilárách a malých krevních cévách.
Oblasti použití diagnostiky
Dnes jsou ultrazvukové zobrazovací a měřicí metody nejrozšířenější v lékařských oborech, jako jsou:
- porodnictví;
- oftalmologie;
- kardiologie;
- neurologie novorozenců a kojenců;
- vyšetření vnitřních orgánů:
- ultrazvuk ledvin;
- játra;
- žlučník a vývody;
- ženský reprodukční systém;
diagnostika vnějších a povrchových orgánů (štítná žláza a mléčné žlázy)
Použití v terapii
Hlavní terapeutický účinek ultrazvuku spočívá v jeho schopnosti pronikat do lidských tkání, prohřívat je a prohřívat a provádět mikromasáž jednotlivých oblastí. Ultrazvuk lze použít pro přímé i nepřímé působení na ohnisko bolesti. Kromě toho mají tyto vlny za určitých podmínek baktericidní, protizánětlivý, analgetický a antispasmodický účinek. Ultrazvuk používaný pro terapeutické účely je podmíněně rozdělen na vibrace s vysokou a nízkou intenzitou.
Jsou to vlny nízké intenzity, které se nejčastěji používají ke stimulaci fyziologických reakcí nebo mírnému, neškodlivému zahřátí. Ultrazvuková léčba prokázala pozitivní výsledky u nemocí, jako jsou:
- artritida;
- artritida;
- myalgie;
- spondylitida;
- neuralgie;
- varikózní a trofické vředy;
- Ankylozující spondylitida;
- obliterující endarteritida.
Probíhají studie, které využívají ultrazvuk k léčbě Meniérovy choroby, emfyzému, duodenálních a žaludečních vředů, astmatu, otosklerózy.
Ultrazvuková chirurgie
Moderní chirurgie využívající ultrazvukové vlny je rozdělena do dvou oblastí:
- selektivní ničení tkáňových oblastí speciálními řízenými ultrazvukovými vlnami o vysoké intenzitě s frekvencemi od 106 do 107 Hz;
- pomocí chirurgického nástroje se superponovanými ultrazvukovými vibracemi od 20 do 75 kHz.
Příkladem selektivní ultrazvukové operace je drcení kamenů ultrazvukem v ledvinách. V procesu takové neinvazivní operace působí ultrazvuková vlna na kámen přes kůži, tedy mimo lidské tělo.
Tato chirurgická metoda má bohužel řadu omezení. Ultrazvukové drcení nepoužívejte v následujících případech:
- těhotné ženy kdykoli;
- pokud je průměr kamenů větší než dva centimetry;
- pro jakékoli infekční nemoci;
- při onemocněních, která narušují normální srážlivost krve;
- v případě závažných kostních lézí.
Navzdory tomu, že odstranění ledvinových kamenů ultrazvukem probíhá bez operaceřezy, je to dost bolestivé a provádí se v celkové nebo lokální anestezii.
Chirurgické ultrazvukové nástroje se používají nejen k méně bolestivé disekci kostí a měkkých tkání, ale také ke snížení krevních ztrát.
Obraťme svou pozornost na stomatologii. Ultrazvuk odstraňuje zubní kameny méně bolestivě a všechny další manipulace lékaře snáší mnohem snáze. Kromě toho se v traumatologické a ortopedické praxi používá ultrazvuk k obnovení integrity zlomených kostí. Při takových operacích je prostor mezi úlomky kostí vyplněn speciální směsí skládající se z kostních třísek a speciálního tekutého plastu a poté je vystaven ultrazvuku, díky kterému jsou všechny součásti pevně spojeny. Ti, kteří podstoupili chirurgické zákroky, během kterých byl použit ultrazvuk, zanechávají různé recenze - pozitivní i negativní. Nutno však podotknout, že spokojených pacientů je stále více!
