Какими свойствами обладает ультразвук

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Ultrazvuk volny

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

Получение данных о конкретном веществе.
Обработка и передача сигналов.
Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

Молекулярные процессы в различных структурах.
Определение концентрации веществ в растворах.
Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

Металлизация.
Ультразвуковая очистка.
Дегазация жидкостей.
Диспергирование.
Получение аэрозолей.
Ультразвуковая стерилизация.
Уничтожения микроорганизмов.
Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

Коагуляция.
Горение в ультразвуковой среде.
Сушка.
Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

Ultrazvuk massazh

Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвук может действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ultrazvuk UZI

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвук широко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

Ультразвук и его свойства

Ультразвук – это колебания упругой среды с частотой выше
звуковых. К звуковым относят частоты, воспринимаемые человеческим ухом и
попадающие в диапазон от 15 Гц до 20 КГц (частота 1 Герц соответствует
одному колебанию в секунду). Колебания с частотой менее чем 15 Гц
относятся к инфразвуковым, а с частотой более чем 20 000 Гц относятся к
ультразвуковым.

Ультразвуковые колебания передаются в виде продольных волн,
которые вызывают попеременное сжатие и разрежение среды или вещества.
Амплитуда отклонений частиц среды от исходного состояния зависит от
мощности передаваемой энергии: чем больше мощность – тем значительнее
отклонения. В длину волны укладываются две области: одна область сжатия и
одна область разрежения, при этом длина волны обратно пропорциональна
частоте колебаний.

Низкочастотные ультразвуковые волны распространяются
сферически. С увеличением частоты колебаний уменьшается длина волны, и
пучок ультразвуковых волн становится прямолинейнее. Закономерности
распространения высокочастотных ультразвуковых волн аналогичны
закономерностям распространения световых волн и обладают такими же
свойствами: поглощение, преломление, отражение от границы двух сред.

Именно перечисленные свойства высокочастотных звуковых волн
лежат в основе ультразвуковых методов, применяемых для исследования
объектов в медицине, дефектоскопии, эхолокации и во многих других
областях.

Медицинское применение ультразвука проявляется в
ультразвуковых исследованиях и ультразвуковой терапии.

Методы ультразвуковых исследований основаны на том, что все
внутренние органы обладают различной эхоплотностью. Некоторые практически
без искажений пропускают ультразвуковые волны, другие их преломляют или
поглощают. Например, коэффициент поглощения ультразвука костной тканью в
12 – 15 раз выше по сравнению с мышечной.

Датчик, который врач определенным образом располагает на коже
пациента над областью расположения исследуемого органа, испускает
ультразвуковые волны, которые проходят через тело пациента, а затем,
отразившись от тканей, возвращаются и воспринимаются тем же датчиком.
Встречающиеся на пути следования волн препятствия в виде различных
внутренних органов изменяют ход этих волн. Все эти изменения улавливаются
датчиком, анализируются и отображаются на мониторе аппарата.

Терапевтическое использование ультразвука основано на
возможности получения концентрированных пучков ультразвуковых волн высокой
частоты (800 – 3000 кГц). Пучок таких волн можно локализовать на
определенном участке, добившись точечного воздействия на определенный
внутренний орган.

16.11.2009

Ультразвуковые исследования в медицине

Все ткани организма обладают различным акустическим сопротивлением, то есть,
в различной степени препятствуют распространению ультразвука. При этом величина
сопротивления ультразвуку зависит от плотности исследуемой ткани и скорости ультразвука.
Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление.

Распространение ультразвуковых волн происходит в соответствии с законами геометрической
оптики. В однородной среде ультразвук распространяется прямолинейно и равномерно. Особенные изменения
пучок ультразвуковых волн претерпевает, достигнув границы двух сред с различным акустическим
сопротивлением.

При этом некоторая его часть проникает и начинает распространяться в новой среде, а другая о
тражается от границы сред. Разность величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей
определяет коэффициент отражения пучка. Чем больше различие акустической плотности граничных сред, тем
больше отражение, и это, естественно, отражается на параметрах возвращаемого сигнала.

Таким образом, ультразвуковой метод позволяет определять расстояния до границы разноплотных
сред, основываясь на анализе отраженной от границы раздела волны. Отражение от границ позволяет
определить очертания различных структур. Объекты, не имеющие границ между тканями, ультразвуковые
волны проходят беспрепятственно.

Чем выше частота ультразвуковой волны, тем меньше глубина проникновения в ткань и лучше
разрешение
близко расположенных объектов. Низкие частоты позволяют увеличить глубину проникновения волн, однако при
этом снижается разрешающая способность. Глубина проникновения в ткани ультразвука частотой 800 – 1000
кГц
оценивается в 5 – 6 см, а частотой 2400 кГц в три раза меньше. В небольших дозах ультразвук может
проникнуть
на глубину до 20 см.

Лучше всего ультразвук проникает в жировую ткань, задерживается мышечной и нервной, от костей
отражается до 60% падающей на них энергии ультразвука.

В медицинской ультразвуковой диагностике используют частоты диапазона от 2 до 10 МГц.
Конкретное значение определяется объектом исследования: для исследования органов брюшной полости и
забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 – 3,5 МГц, а для
исследования щитовидной железы – 7,5 МГц.

Таким образом, с помощью УЗИ можно исследовать строение внутренних органов: печени, почек,
поджелудочной железы, желчного пузыря, мочевого пузыря, предстательной железы, сердца, матки, придатков,
яичек, щитовидной железы, молочной железы. УЗИ позволяет оценивать размеры, строение внутренних объектов
(сосудов, протоков и т.п.), найти опухоли, кисты, узлы, кальцинаты.

На основе результатов УЗИ можно оценить функционирование сердца и сосудов, исследовать
нарушение
кровотока за счет сужения или сдавливания сосудов, определять наличие тромбов. УЗИ позволяет выявлять
травматические повреждения органов, внутренние кровотечения, воспалительные инфильтраты и некоторые
другие
нарушения.

УЗИ дает возможность установить факт беременности и осуществлять контроль за состоянием плода
на
протяжении беременности.

Поскольку исследования основаны на определении границ с областей различным акустическим
сопротивлением, в обычном режиме нельзя проанализировать состояние кишечника, желудка, легких. Могут
быть
проблемы с визуализацией матки и придатков, зон повреждения сердца при небольшом инфаркте миокарда,
незначительных патологических изменений в органах.

22.01.2010

Электрокардиографические исследования

Электрокардиография – метод исследования сердечной мышцы путём регистрации биоэлектрических
потенциалов
работающего сердца. Сокращению сердца предшествует возбуждение миокарда, сопровождающееся перемещением
ионов через оболочку клетки миокарда, в результате которого изменяется разность потенциалов между
наружной
и внутренней поверхностями оболочки. Измерения при помощи микроэлектродов показывают, что изменение
потенциалов
составляет около 100 мв. В нормальных условиях отделы сердца человека охватываются возбуждением
последовательно,
поэтому на поверхности сердца регистрируется меняющаяся разность потенциалов между уже возбуждёнными и
ещё не
возбуждёнными участками. Благодаря электропроводности тканей организма, эти электрические процессы можно
уловить
и при размещении электродов на поверхности тела, где изменение разности потенциалов достигает 1-3 мв.

Электрофизиологические исследования сердца в эксперименте проводились ещё в 19 веке, однако
внедрение
метода в медицину началось после исследований Эйнтховена в 1903-1924 г., который применил
малоинерционный струнный
гальванометр, разработал обозначение элементов регистрируемой кривой, стандартную систему регистрации и
основные критерии оценки.

Высокая информативность и относительная техническая простота метода, его безопасность и
отсутствие каких-либо
неудобств для больного обеспечили широкое распространение ЭКГ в медицине и физиологии. Основные узлы
современного
электрокардиографа – усилитель, гальванометр и регистрирующее устройство. При записи меняющейся картины
распределения
электрических потенциалов на движущуюся бумагу получается кривая – электро-кардиограмма (ЭКГ), с острыми
и закруглёнными
зубцами, повторяющимися во время каждой систолы. Зубцы принято обозначать латинскими буквами Р, Q, R, S,
Т и U.

Первый из них связан с деятельностью предсердий, остальные зубцы – с деятельностью желудочков
сердца. Форма зубцов
в разных отведениях различна. Снятие ЭКГ у разных лиц достигается стандартными условиями регистрации:
способом наложения
электродов на кожу конечностей и грудной клетки (обычно используется 12 отведений), определёнными
чувствительностью
аппарата (1 мм = 0,1мв) и скоростью движения бумаги (25 или 50 мм/ сек.). Исследуемый находится в
положении лёжа, в
условиях покоя. При анализе ЭКГ оценивают наличие, величину, форму и ширину зубцов и интервалов между
ними и на этом
основании судят об особенностях электрических процессов в сердце в целом и в некоторой степени – об
электрической
активности более ограниченных участков сердечной мышцы.

В медицине ЭКГ имеет наибольшее значение для распознавания нарушений сердечного ритма, а также
для выявления инфаркта
миокарда и некоторых других заболеваний. Однако изменения ЭКГ отражают лишь характер нарушения
электрических процессов
и не являются строго специфичными для определённой болезни. Изменения ЭКГ могут возникать не только в
результате
заболевания, но и под влиянием обычной дневной активности, приёма пищи, лекарственного лечения и других
причин.
Поэтому диагноз ставится врачом не по ЭКГ, а по совокупности клинико-лабораторных признаков заболевания.
Диагностические
возможности возрастают при сопоставлении ряда последовательно снятых ЭКГ с интервалом в несколько дней
или недель.
Электрокардиограф используется также в кардиомониторах – аппаратах круглосуточного автоматического
наблюдения за состоянием
тяжелобольных – и для телеметрического контроля за состоянием работающего человека – в клинической,
спортивной, космической
медицине, что обеспечивается специальными способами наложения электродов и радиосвязью между
гальванометром и регистрирующим
устройством.

Биоэлектрическая активность сердца может быть зарегистрирована и другим способом. Разность
потенциалов характеризуется
определёнными для данного момента величиной и направлением, то есть является вектором и может быть
условно представлена
стрелкой, занимающей определенное положение в пространстве. Характеристики этого вектора изменяются в
течение сердечного
цикла так, что его начальная точка остаётся неподвижной, а конечная описывает сложную замкнутую кривую.
В проекции на
плоскость эта кривая имеет вид серии петель и называется векторкардиограммой (ВКГ). Приближённо она
может быть построена
графически на основании ЭКГ в разных отведениях. Также её можно получить и непосредственно при помощи
специального аппарата
– векторкардиографа, регистрирующим устройством которого является катодно-лучевая трубка, а для
отведения используются
две пары электродов, размещенных на пациенте в соответствующей плоскости.

Меняя положение электродов, можно получить ВКГ в различных плоскостях и составить более полное
пространственное
представление о характере электрических процессов. В некоторых случаях векторкардиография дополняет
электрофизиологические
исследования, как диагностический метод. Изучение электрофизиологических основ и клинического применения
электрофизиологических
исследований и векторкардиографии, совершенствование аппаратов и методов регистрации – предмет особого
научного раздела
медицины – электрокардиологии.

В ветеринарии электрокардиография применяется у крупных и мелких животных для диагностики
изменений в сердце, возникающих
в результате некоторых незаразных или инфекционных болезней. С помощью электрокардиографии у животных
определяют нарушения
сердечного ритма, увеличение отделов сердца и другие изменения в сердце. Электрокардиография позволяет
контролировать действие
на сердечную мышцу животного применяемых или испытываемых лекарственных средств.

02.04.2010

Ультразвуковые датчики

Сонографические аппараты, применяемые в настоящее время работать с различными типами датчиков,
что позволяет использовать
их и для ультразвуковой диагностики и при интенсивной терапии и неотложной помощи.

Обращение с датчиками требует осторожности: нельзя допускать падения датчиков, перекручивания
или растяжения кабеля.
Датчик следует располагать в висящем положении, кабель не должен быть сжат или перекручен в месте
соединения с датчиком.

Наиболее распространены датчики трех типов: линейные, секторальные и конвексные.

Линейные датчики испускают звуковые волны параллельно друг другу и создают прямоугольное
изображение.
Ширина изображения и количество линий сканирования постоянны по всей глубине. Линейные датчики
отличаются хорошей
разрешающей способностью в ближнем поле. Их используют с частотой 5.0—7.5 МГц и выше для исследования
мягких
тканей и щитовидной железы.

Недостатком линейных датчиков является большая площадь рабочей поверхности, что ведет к
появлению искажений
при прикладывании к искривленной поверхности тела. Кроме того акустическая тень, например от ребер,
может портить изображение.
Линейные датчики не пригодны для исследования органов грудной клетки или верхней части живота.

Секторальные датчики дают веерообразное изображение, узкое вблизи датчика и расширяющееся по
мере
увеличения глубины. Такое расходящееся распространение звука получается за счет механического движения
пьезоэлементов.

Секторальные датчики дешевле, но отличаются слабой износостойкостью. Электронный вариант с
фазовым управлением
более дорогой, но используются преимущественно в кардиологии. Рабочая частота секторальных датчиков
2.5—3.0 МГц. Избежать помех,
вызываемых отражением звука ребрами, можно избежать, прикладывая датчик в межреберные промежутки и
выбирая оптимальное
расхождение луча в диапазоне 60—90° для увеличения глубины проникновения.

Недостатками датчиков секторального типа являются низкая разрешающая способность в ближнем
поле,
уменьшение количества линий сканирования с увеличением глубины, а также сложности в использовании.

Конвексные (искривленные) датчики используются преимущественно в абдоминальных исследованиях.
Средние рабочие
частоты датчиков 3.5—3.75 МГц. Конструкция искривленных датчиков получена путем компромисса между
линейными и
секторальными датчиками.

Конвексный датчик дает широкую ближнюю и дальнюю зоны изображения, он легче в использовании,
чем секторальный датчик.
При этом плотность линий сканирования с увеличением расстояния от датчика уменьшается. При сканировании
органов верхней части живота необходимо аккуратно управлять датчиком, чтобы избежать появления
акустической тени от нижних ребер.

02.02.2011

Источник