Приведем несколько наиболее занимательных и познавательных на мой взгляд статей из книги: Ультразвуковые процессы и аппараты в биологии и медицине". Учебное пособие для студентов специальности 190500, под редакцией профессора В.Н. Лясникова (СГТУ, Саратов 2005 г. тираж 100 экземпляров), данную книгу можно взять в городской библиотеке г. Саратова на ул. академика Зарубина и ознакомится с ней более подробно.
Впервые Циннер в 1955 году предложил использовать ультразвук для лечения периодонтита; он же предложил использовать его для удаления камней .
Полтора десятка лет назад Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий зарегистрировал ряд новых способов лечения стоматологических заболеваний с помощью низкочастотного ультразвука (Бережной В.П., 1983; 1987; 1987; 1988 й др.). Создано новое научное направление в стоматологии и защищена докторская диссертация (Бережной В.П., 1986). Интенсивно разрабатывались и новые оригинальные методики. Авторы обобщали их в своих кандидатских диссертациях (Кириллова В.П., 1987; Бурда Г.К, 1988; Юрченко Е.В., 1989; Шумский А.В., 1991 и др.). Сотни публикаций в нашей стране и за рубежом привлекли внимание стоматологов всего мира.
Во многих странах были изготовлены по опубликованным методикам оригинальные аппараты "Пьезон Мастер-400, 401, 402, 403, 404". Английская высшая школа по примеру Самарского медуниверситета ввела в программу обучения ультразвуковые методы лечения стоматологических заболеваний (раздел Эндодонтия).
В нашей стране студенты, врачи, интерны и аспираты получают подготовку по ультразвуковым методам, используя при этом отечественный аппарат УРСК-7Н-18 и инструменты-волноводы. Зарубежные студенты обучаются в основном на аппаратах иностранных фирм. Продолжается поиск новых решений. В мире появляются все новые и новые сообщения о применении низкочастотного ультразвука в
В чем преимущество нашего нового научного направления в стоматологии?
Основное преимущество использования энергии низкочастотного ультразвука в предлагаемых нами параметрах (частота - 26,5-30 кГц, амплитуда колебания рабочей части инструмента 30-40 мк) обусловлено его активным влиянием на основные звенья патогенеза болезни, в механических и абластических факторах. Воздействие низкочастотного ультразвука на патологически измененные ткани больного позволяет получить многофункциональный положительный эффект:
Интенсивная очистка тканей от инфицированных масс;
Фонофорез лекарственных и обезболивающих веществ;
Бактерицидное действие на микрофлору;
Снижение травматичности при рассечении тканей;
Кровоостанавливающее действие при ампутации пульпы;
Полимеризация некоторых химических композитов;
Нормализация лимфоциркуляции и кровообращения в тканях;
В ультразвуковом поле проявляется абластическое (противоопухолевое действие);
Ультразвуковая прессовка пломбировочных материалов;
Удаление инородных тел, штифтов из корневых каналов и т.д.
В мировой стоматологической практике используются методики, разработанные на кафедре терапевтической стоматологии СамГМУ. Однако аппаратура и некоторые инструменты по дизайну отличаются. Амплитуда акустических колебаний терапевтических ультразвуковых инструментов остается в пределах 30-35 мкм.
В России и странах СНГ пользуются в основном ультразвуковыми медицинскими установками УРСК-7Н-18С и инструментами-волноводами типа: игольчатый, экскаватор, штонфер, скальпель с гладкими и рашпильными рабочими поверхностями.
За рубежом выпускают ультразвуковые стоматологические аппараты "Пьезон Мастер-400", "Супрессон" с другим дизайном инструментов акустических узлов. В аппаратах отечественного производства растворы подают на рабочую поверхность волновода из шприца или капельницы; в импортных же - из контейнеров с растворами.
Все наконечники-волноводы осуществляют линейные возвратно-поступательные движения. Это свойство должен учитывать каждый врач при работе.
В профилактической работе пользуются игольчатыми волноводами и экскаваторами. Обязательным условием является создание кавитации дистилированной воды при снятии зубных отложений. Для обработки фиссур, слепых ямок, снятия подцесневого зубного камня необходимо использовать антисептики, фурацилин или хлоргексидин.
При препарировании кариозной полости или эмали под коронку ультразвуковую обработку кариозной полости и эмали зуба следует проводить с фурацилином или хлоргексидином с последующей защитой пульпы адгезивным материалом .
Для обезболивания твердых тканей зуба используют раствор 1% три-мекаина на фурацилине.
При эндодонтических вмешательствах на уровне ампутации устьевой пульпы используют волновод-экскаватор в экспозиции 2-3 с. Одновременно достигается гемостаз культи пульпы, которая должна быть защищена аутогенными дентинными опилками на основе циакрина или другой биологически активной композицией.
По вопросам размещения рекламы, ссылок, обмену ссылками пишите на: [email protected]
p .s . При копировании материалов и фотографий активная ссылка на сайт обязательна.
У большинства из нас ультразвук ассоциируется только как метод снятия зубных отложений. Да, ребята, так и есть, чаще всего ультразвук используется для гигиенических мероприятий, а ультразвуковые аппараты (скалеры) узурпировали стоматологи-гигиенисты. Нет, мы не спорим, удаление налета и зубного камня это основное применение ультразвуковых аппаратов, однако их “способности” гораздо шире.
Итак. Два самых распространенных типа ультразвуковых аппаратов – это магнитострикционные и пьезоэлектрические . Скалер Cavitron от Dentsply – пример магнитострикционного устройства, а PiezoLED от KaVo - пьезоэлектрического. Для магнитострикционных устройств существует довольно большой выбор насадок. Насадки для пьезоустройств в этой номинации побеждают, их значительно больше. Обе эти технологии могут помочь в выполнении множества манипуляций, каждая по-своему хороша, выбирайте сами.
Вот три необычных применения ультразвука в практике стоматолога:
- Перемещение эндодонтических ирригантов. Ни для кого не секрет, что активация ультразвуком эндодонтических ирригантов обеспечивает более существенное удаление остатков твердых и мягких тканей из просвета каналов. 30-60 секунд воздействия пьезоэлектрического ультразвукового аппарата может значительно улучшить вымывание органического «мусора».
- Удаление детрита. Ультразвуковые наконечники с алмазным покрытием могут удалять детрит консервативно с минимальным побочным повреждением мягких тканей. Друзья, уверены что вы оцените это при лечении пришеечного кариеса. NSK предлагает сферические пьезонасадки с алмазным покрытием, которые могут удалять мертвые ткани с минимальным риском возникновения кровотечения из десны.При создании сложных реставраций эти насадки станут незаменимыми помощниками.
- Снятие коронок. Бьемся об заклад, что ваши руки никогда не смогут производить необходимую для удаления старых реставраций величину вибрации, которую способен издавать ультразвуковой наконечник. Используйте возможности ультразвука, чтобы ослабить область контакта между коронкой и цементом и удалить старую коронку без разрушения ее на части.
Это всего лишь три примера того, как ультразвуковой аппарат может помочь вам в ежедневной практике, но у ультразвука есть и многие другие полезные применения. Его можно использовать при восстановительном лечении для удаления зубного налета и зубного камня, например, когда находите маленький поддесневой депозит камней во время подготовки культи зуба, или когда хотите удалить налет перед прямой реставрацией цервикального края зуба. В таких ситуациях, как эти (и во многих других), наличие ультразвука – это большой плюс.
Метод чистки ультразвуком – профилактика глубокого налета и каменистого отложения на поверхности зубов. Ультразвуковая чистка зубов абсолютно безболезненна и не представляет никакой опасности. С помощью у/з аппарата врач бережно убирает с зубной эмали каменистые отложения и налет. Рекомендация специалистов в том, что необходимо раз в полгода проводить процедуру чистки зубов ультразвуком. Так называемый зубной камень – главная причина многих заболеваний, он образуется у каждого человека.
Ультразвуковая чистка зубов – незаменимый элемент в стоматологии. Процедура помогает предупредить возникновение кариеса, придает зубам естественный оттенок, а также оказывает содействие по сохранению здоровья десен.
Технология и чистка ультразвуком
Ультразвуковой метод предотвращает физическое повреждение эмали и ее стирание, вредное влияние на эмаль зубов препаратов, имеющий активный химический состав.
Зубной камень удаляется качественно и эффективно. Значительно расширяется область воздействия на всю полость рта.
Все это стало возможным, когда в стоматологии научились применять ультразвуковые колебания для проведения уникальной по своим свойствам чистки. Процедура длится незначительное количество времени, примерно час.
Чистку делают специальным гелем при помощи ультразвукового аппаратного наконечника под названием скаллер. При воздействии лазерного ультразвука из геля выделяется кислород, он и является разрушителем отложений. Направленная с достаточно сильным давлением струя раствора очищает поверхность зубов, не повреждая слоя эмали, проводится промывание парадентальных карманов. После окончания сеанса чистки врач-стоматолог полирует зубы и производит фторирование эмали зубов профессиональными пастами.
Противопоказания к чистке ультразвуком
Притом что ультразвуковая процедура совершенно безопасна и не приносит вреда, есть противопоказания к применению. Ультразвука следует избегать:
- Лицам с бронхиальной астмой, хроническим бронхитом, при ОРЗ и сердечных аритмиях.
- В подростковом возрасте, когда меняется прикус.
- Беременным женщинам и кормящим матерям.
- Входящим по ВИЧ-инфекции, туберкулезу и гепатиту в группу риска.
- Людям с ортопедическими имплантатами.
Тем, кто прибегал к этому методу, желательно обновить зубную щетку, и делать это каждые 3 месяца. Также советуют применять фторосодержащую зубную пасту, которая поможет после очищения зубов и снизит их чувствительность.
Методом очищения зубов может воспользоваться каждый желающий. Периодическая чистка зубов у специалистов – всегда белоснежная улыбка, уменьшение проблем с ЖКТ. Для поддержания ротовой полости в идеальном состоянии посещайте регулярно стоматолога!
Ультразвук - это колебания с частотами, большими 20000 Гц. Распространение в жидкой, газообразной и твердой средах ультразвуковых колебаний конечной амплитуды порождает физические эффекты, использование которых в медицине создает реальные предпосылки интенсификации технологического процесса обработки биологических тканей, методов диагностики и воздействия лекарственных препаратов на организм при терапевтическом лечении.
Для создания ультразвуковых колебаний разработаны многообразные технические средства - аэродинамические и гидродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические источники ультразвука - дают возможность практического применения ультразвуковой технологии во многих отраслях медицины.
Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в хирургии и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью линз и зеркал.
Для диагностических исследований внутренних органов используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц. Генератором таких волн является пьезодатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы. В качестве детектора сигнала применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.
В физиотерапевтической практике используют ультразвук в диапазоне частот 800-3000 кГц. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария.
В стоматологии впервые с середины пятидесятых годов прошлого века было предложено использовать ультразвук для лечения периодонтита и для удаления камней. Инструменты, применяемые для лечения зубов, обычно состоят из стержневого ультразвукового пьезокерамического, магнитострикционного или аэродинамического преобразователя и имеют на конце рабочий наконечник. В наконечнике возбуждаются продольные колебания в диапазоне частот 20 - 45 кГц и с амплитудой движения в области 6 -100 мкм. В аэродинамических стоматологических наконечниках частота работы преобразователя обычно на выходит за рамки слышимого звука.
Ультразвуковой пучок
Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами получают с помощью соответствующих ультразвуковых преобразователей . В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука.
Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены). Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет "губа" в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту "губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика.
Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.
Иной принцип генерации звука реализуется в роторно-пульсационных аппаратах, принципиальная конструкция которых аналогична конструкции динамических сирен. Здесь звуковое излучение образуется за счет периодического механического прерывания потока воздуха, проходящего через щелевой ротор и статор. Вращение ротора осуществляется механическим воздушным приводом. Скорость вращения и характерные размеры щелевых отверстий задают частот и интенсивность пульсации давления в потоке, а следовательно частоту и интенсивность звукового излучения. При этом интенсивные колебания среды локализованы внутри объема аппарата. Достоинством этих систем является возможность работы при низком избыточном давлении и больших расходах струи. Однако роторно-пульсационные аппараты сложны в изготовлении вследствие чего более распространенное изготовление получили пульсационные приводы. Именно такой тип генерации чаще применен в стоматологических воздушно-приводных инструментах. Типичными представителями агрегатов с аэродинамическим приводом в стоматологии являются ультразвуковые скалеры применяемые для снятия пигментированного налета и зубных отложений. Роторно-пульсационные озвучивающие механизмы используются в воздушно-приводных обрабатывающих эндодонтических инструментах и ирригаторах.
Гидродинамические генераторы-излучатели служат для превращения кинетической энергии струи в энергию упругих акустических колебаний. Генерация звука происходит в области вихревого движения струи. Для расчета генерируемого звукового поля обычно применяют теорию акустической аналогии Лайтхилла, согласно которой турбулентный (вихревой) поток рассматривают как заданный источник звука определенной структуры.
Самое большее распространение в медицине и в стоматологии в частности, нашли пьезоэлектрические и магнитострикционные ультразвуковые преобразователи
Магнитострикция
Магнитострикция представляет собой деформирование тел при изменении их магнитного состояния. Данное явление, открытое в 1842 г. Джоулем, свойственно ферромагнитным металлам и сплавам (ферромагнетикам) и ферритам. Ферромагнетики обладают положительным межэлектронным обменным взаимодействием, приводящим к параллельной ориентации моментов атомных носителей магнетизма. Наличие постоянных магнитных моментов электронных оболочек характерно для кристаллов, состоящих из атомов, обладающих внутренними электронными оболочками. Это имеет место для переходных элементов Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов Gd, Tb, Dy, Но, Ег, а также для их сплавов и некоторых соединений с неферромагнетиками. Способность вещества к намагничению характеризуется магнитной восприимчивостью, которая представляет собой отношение намагниченности к напряженности внешнего магнитного поля. Напряженность магнитного поля характеризуется силой, заключенной в единичной магнитной массе и действующей на северный магнитный полюс. Другой характеристикой магнитного поля является индукция магнитного поля. Магнитная энергия кристаллической решетки является функцией расстояния между атомами или ионами; следовательно, изменение магнитного состояния тела ведет к его деформированию, т. е. возникает явление магнитострикции. Магнитострикционная деформация сложным образом зависит от индукции и напряженности магнитного поля. В простейших случаях деформация пропорциональна квадрату намагниченности. Взаимосвязь между параметрами и геометрическими размерами преобразователя выводится на основе рассмотрения его конкретной формы. На практике используют два типа магнитострикционных преобразователей: стержневые и кольцевые, изготовленные из магнитных сплавов или ферритов. Металлические сплавы используют для изготовления мощных магнитострикционных преобразователей, поскольку они имеют высокие прочностные характеристики. Однако большая электропроводность сплавов обусловливает кроме потерь на перемагничение значительные потери на макровихревые токи, или токи Фуко. Поэтому преобразователи выполняют в виде пакета пластин толщиной 0,1-0,2 мм. Значительные потери определяют сравнительно низкий к. п. д. таких преобразователей (40-50%) и необходимость их водяного охлаждения. Ферритовые преобразователи обладают более высоким к. п. д. (70%), так как при большом электросопротивлении не имеют потерь на токи Фуко, но их мощностные характеристики весьма ограничены из-за низкой механической прочности.
При воздействии на обмотку, в которую помещен сердечник-стриктор, переменным электрическим током в последнем вследствие электромагнитной индукции возникают колебательные процессы соответствующие частоте генератора электрического сигнала. Достоинством таких генераторов является относительно низкое рабочее напряжение, что позволяет значительно упростить при изготовлении инструментов конструктивные параметры изоляции электрической части рабочего инструмента от приводного механизма и сделать их разборными для быстрой смены привода стоматологического наконечника. Недостатком же магнитострикционного преобразователя является условие обязательного постоянного охлаждения водой работающего преобразователя.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект - образование электрической поляризации при механической деформации. Для получения ультразвуковых колебаний в ультразвуковых аппаратах используют обратный пьезоэлектрический эффект , т. е. физическое явление, которое может развиваться в некоторых кристаллах. При воздействии на такие кристаллы (пьезоэлементы) переменным током высокой частоты происходит их последовательное сжатие и расширение, что лежит в основе развития колебаний, соответствующих частоте подаваемого тока.
В отличие от электристрикции пьезоэффект наблюдается только у кристаллов, не имеющих цента симметрии. Кристаллическая решетка таких материалов состоит из полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Все кристаллы по свойствам симметрии разделены на 32 класса, из них 20 не имеют симметрии. В ультразвуковой технике наибольшее распространение получили преобразователи на основе пьезокерамики. Основными материалами для изготовления преобразователей в медицинской аппаратуре является пьезокерамика на основе: титаната бария (ТБ); титаната бария, кальция (ТБК); цирконат титанат свинца (ЦТС); ниобат свинца, бария (PZT).
Терапевтические излучатели обычно сделаны в виде дисков из высококачественной пьезокерамики цирконат-титаната свинца. Они помещаются в водонепроницаемую оболочку из алюминия или нержавеющей стали, прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная сторона диска граничит с воздухом.
В ультразвуковой технологии на частотах 20-60 кГц пьезокерамический преобразователь делают стержневого типа с частотопонижающими металлических накладками - преобразователь Ланжевена. Изготовление сплошного пьезокерамического полуволнового преобразователя нецелесообразно из-за технологических трудностей, сильного разогрева керамики в рабочем режиме, поскольку он имеет низкую теплопроводность, и необходимости высоких рабочих напряжений при большой толщине керамики. Обычно преобразователь выполняют в виде двух пьезокерамических шайб, рабочей дюралевой и тыльной стальной накладок, стянутых центральным болтом.
Электрическая энергия является наиболее универсальным видом энергии, что и определяет преимущественное использование в ультразвуковой технологии систем, в которых источником механических колебаний являются электрические колебания ультразвуковой частоты. Электрические колебания заданной частоты формируются в ультразвуковых генераторах. В настоящее время широко используют два типа генераторов - транзисторные и тиристорные, отвечающие технологическим требованиям по уровню надежности, коэффициенту полезного действия, мощности и т. д. Кроме транзисторных и тиристорных генераторов для питания электроакустических преобразователей иногда применяют ламповые генераторы ("Ультрастом"). Ламповые ультразвуковые генераторы практически сняты с производства и их используют только в мощных генераторах мегагерцового диапазона.
Энергия электрических колебаний трансформируется в энергию механических колебаний в рассмотренных выше электроакустических преобразователях. Типичными представителями ультразвуковых стоматологических обрабатывающих приборов с магнитострикционным и пьезокерамическим приводом являются аппараты: "Turbo 25-30" /Parkell (США)/; "Piezon Master 400" /EMS (Щвейцария)/.
Шесть лет минуло с тех пор, как я высказался по поводу перспектив и практического применения ультразвука в стоматологии в небольшой своей заметке "Ультразвук может все" на страницах сайта www.dfa.ru . Электронных посланий было получено в то время более чем достаточно. Врачи интересовались практически по каждому вопросу, связанному с применением ультразвука, приоткрытому в вышеупомянутой статье. Не скрою, доминирующим вопросом во всех посланиях преобладал в основном интерес к возможности приобретения непосредственно "озвученных" инструментов и ультразвуковой аппаратуры. По всему было ясно, что на всем постсоветском пространстве мало кто имел широкое представление о возможностях и существующих методиках работы с ультразвуковым инструментарием, ну разве что, и то от части, со знакомым уже тогда многими отечественными инструментами для снятия зубных отложений. Но информационный прогресс и рынок неуклонно и стремительно набирали темп и, уже через пару лет врачи-стоматологи могли иметь нужную информацию и несколько расширенный ассортимент ультразвуковых инструментов. Правда, если быть до конца откровенным, то в приватных беседах с коллегами даже и на сегодняшний день, когда заходит разговор о более широком применении в стоматологии и о возможностях ультразвука, многие врачи, хоть и по-разному, но озвучивают одну и туже фразу - "…но он же, говорят, вреден…?!"
Сегодня же, анализируя ситуацию и задавая себе вопросы - что же изменилось с того времени(?); многие ли практикующие врачи приобщились к "озвученным" инструментам и методам(?); и, действительно, чем может быть опасен и полезен ультразвук(?) - хочется опять вернуться к теме существующих методик применения и перспективного развития ультразвука в стоматологии, так как совсем ни одним только скейлером и эндосоником обуславливаются ультразвуковые технологии и методы в стоматологии.
Но прежде чем начать разговор об ультразвуковых технологиях, предлагаю ознакомиться с подборкой материалов относительно истории развития ультразвука и его применения в медицине.
Немного о звуке и волне
Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса и рассматриваться как частный случай механических колебаний и волн. Повторяющиеся движения или изменения состояния называют колебаниями. Всем колебаниям независимо от их природы, будь то механические колебания и волны или колебания распространяемые в жидких, газовых или твердых средах, присущи некоторые общие закономерности. Колебания распространяются в среде в виде волн. Любое колебательное (волновое) движение имеет свою частоту и амплитуду колебания. Волновые колебания возникающие в среде при участии внешней силы изменяются по периодическому закону и имеют названия - вынужденных колебаний . Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы. Амплитуда же вынужденных колебаний прямо пропорциональна амплитуде вынуждающей силы и имеет сложную зависимость от коэффициента затухания среды и круговых частот собственного и вынужденного колебаний. Если коэффициент затухания и начальная фаза колебаний для системы заданы, то амплитуда вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определенной частоте вынуждающей силы, называемой резонансной, а само явление достижения максимальной амплитуды - называют резонансом .
В физике область, исследующая упругие колебания в средах от самых низких частот до предельно высоких (10 12 10 13 Гц) носит название - акустика. В узком смысле слова под акустикой понимают учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц). Понятие - акустическое давление (звуковое давление) является важным фактором при дальнейшем рассмотрении воздействия звуковых (ультразвуковых) колебаний на биологические объекты.
Профиль акустической волны, как правило, имеет знакопеременный характер, причем давление считается положительным, если участок среды в данный момент времени испытывает сжатие, и отрицательный при разряжении. Если колебания могут быть выражены математически в виде функции, значение которой через равные промежутки времени повторяются, то они называются периодическими колебаниями. Наименьший интервал времени повторения колебательного процесса соответствует периоду (Т). Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой. f = y/T Она показывает число полных колебаний в секунду. Частота колебаний измеряется в герцах (Гц) или в более крупных кратных единицах - килогерцах (кГц) и мегагерцах (МГц). Частота колебаний связана с длиной волны (y) соотношением: y = c/f где с - скорость распространения звуковых волн (м/с).
Всякое же колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении ее характеристик от равновесных значений. Звуком называются механические колебания упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды, влекущие за собой возникновение в ней последовательно чередующихся участков сжатия и разряжения. Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передается на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие. Таким образом, область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления. Если же производить непрерывные смещения частиц упругой среды с какой-то частотой, то образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения, смещаясь то в одну, то в другую сторону от первоначального положения. В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть в них совпадают направления колебания частиц и перемещения волны. В твердых телах и плотных биотканях помимо продольных деформаций, возникают также и упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн, в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн .
Распространение упругих волн в средах подчиняется общему для любого диапазона частот закону. Различные случаи волнового движения отличаются друг от друга граничными и начальными условиями, которые характеризуют состояние волнового процесса на границах среды и в начальный момент времени. Тип волны с вертикальной поляризацией и двумя компонентами смещения называют волной Рэлея. Волны рэлеевского типа возникают и на границах твердое тело - жидкость и двух твердых тел. Кроме волн с вертикальной поляризацией при наличии на границе твердого полупространства твердого слоя, могут существовать волны с горизонтальной поляризацией - волны Лява. Смещение частиц в волне Лява, как показано происходит параллельно плоскости слоя в направлении, перпендикулярном распространению волны, т. е. волна Лява представляет собой чисто сдвиговую волну, имеющую одну компоненту смещения. Распространение упругих колебаний в ограниченном объеме по сравнению с безграничной средой налагает на волновой процесс дополнительные условия, которые обычно сводятся к нулевым равенствам давления на свободных поверхностях или скорости на абсолютно жестких поверхностях. При этом волновые составляющие колебаний тел ограниченной формы всегда имеют общую структуру, но несколько отличной формы, определяемой упругими свойствами и плотностью тела.
В тонких стержнях существуют три вида нормальных волн: продольные, крутильные и изгибные . Причем для изгибной волны характерна дисперсия скорости распространения, обусловленная изменением жесткости с частотой. Поэтому с увеличением частоты фазовая скорость изгибной волны возрастает.
Волновой процесс в толстых стержнях имеет некоторые отличия от распространения волны в тонких стержнях. В результате эффекта Пуассона продольной деформации всегда сопутствует поперечная деформация. Следовательно, в общем случае смещение частиц при продольных колебаниях имеет две компоненты. Одна компонента смещения параллельна, а другая - перпендикулярна оси распространения волны, причем преобладает осевая компонента смещения. На низких частотах распространяется рассмотренная продольная волна с продольными смещениями частиц в каждом сечении и незначительными поперечными, обусловленными эффектом Пуассона. При увеличении частоты и диаметра стержня до некого критического значения появляются волны нулевого порядка, характеризующиеся наличием стоячей волны в поперечном сечении. При критическом значении в этих волнах нет потока энергии, т. е. они представляют собой движение, быстро затухающее вдоль стержня.
На свободной поверхности жидкости волновой процесс определяется уже не упругими силами, а поверхностным натяжением и гравитацией. Сжатия и разрежения жидкой среды, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости - кавитаций . Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул. Под акустической кавитацией понимают образование и активацию газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию. По общепринятой терминологии существуют два типа активности пузырьков: стабильная кавитация и коллапсирующая, или не стационарная, кавитация, хотя граница между ними не всегда четко очерчена. Стабильные полости пульсируют под воздействием давления ультразвукового поля. Радиус пузырька колеблется около равновесного значения, полость существует в течение значительного числа периодов звукового поля. С активностью такой стабильной кавитации может быть связано возникновение акустических микропотоков и высоких сдвиговых напряжений. Коллапсирующие или нестационарные полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Схлопыванием таких пузырьков могут быть обусловлены высокие температуры и давления, а также преобразование энергии ультразвука в излучение света или химические реакции. На пылинках и частицах примесей, содержащихся в жидкостях могут существовать микротрещины. Избыточное давление внутри частичек, задаваемое радиусом частичек и коэффициент поверхностного натяжения, мало, но под действием звука достаточно высокой интенсивности газ может накачиваться в них и полости могут расти. Было показано, что интенсивность звука, необходимая для получения кавитации, заметно повышается при увеличении чистоты жидкости. Малые пузырьки могут расти вследствие процесса, называемого выпрямленной, или направленной, диффузией. Объяснение этого явления состоит в том, что за период акустического поля газ поочередно диффундирует в пузырек во время фазы разряжения и из пузырька во время фазы сжатия. Так как поверхность пузырька в фазе разряжения максимальна, суммарный поток газа направлен внутрь пузырька, поэтому пузырек растет. Чтобы пузырек рос за счет выпрямленной диффузии, амплитуда акустического давления должна превысить пороговое значение. Порог выпрямленной диффузии и определяет порог кавитации.
Дифракция и интерференция
При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения. Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет. При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определенной точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определенной точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определенного участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний. Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.
Глубина проникновения ультразвука
Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину. Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны . В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн . Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.
В соответствии с частотой, звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны: инфразвук - до 16 Гц; слышимый звук - 16 Гц - 20000 Гц; ультразвук - 20 кГц - 1000 МГц . Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно считать 109 - 1010 Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется звуковая волна. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. "Непрозрачное" тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой для ультразвуковой волны с длиной 1,4 мм, возникнет "УЗ-тень". Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию ультразвуковых волн, рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучи (аналогично преломлению и отражению световых лучей). Отражение ультразвука на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, ультразвук хорошо отражается на границах мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ-локация). При ультразвуковой локации используют как непрерывное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта. Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления ). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях - ультразвуковых весах.
Волновое сопротивление
Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если ультразвуковые излучатель приложить к телу человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность ультразвуковые излучателя покрывают слоем масла, глицерина или желе.
Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики. Интенсивность излучаемой волны пропорциональна квадрату частоты, поэтому можно получить ультразвук значительной интенсивности даже при сравнительно небольшой амплитуде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в ультразвуковой волне, также может быть большим, что говорит о наличии существенных сил, действующих на частицы в биологических тканях при облучении ультразвуком.
Распространение ультразвука
Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне. Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия.
Ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с некоторой конечной скоростью, которая определяется упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость звука в жидкостях и твердых средах значительно выше, чем в воздухе, где она приблизительно равна 330 м/с. Для воды она будет равна 1482 м/с при 20º С. Скорость распространения ультразвука в твердых средах, например, в костной ткани, составляет примерно 4000 м/с.
Эффект Доплера
Особый практическое интерес применения ультразвука в медицине связан с эффектом Доплера - изменение частоты волн, воспринимаемым наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя. Представьте себе, что наблюдатель приближается с определенной скоростью к неподвижному относительно среды источнику волн. При этом он встречает за один и тот же интервал времени больше волн, чем при отсутствии движения. Это означает, что воспринимаемая им частота будет больше частоты волны, испускаемой источником. Другой случай: источник волн движется с какой-то скоростью к неподвижному относительно среды наблюдателю. Так как источник движется вслед за испускаемой волной, то длина волны будет меньше, чем при неподвижном источнике. Или при одновременном движении друг к другу наблюдателя и источника волн, воспринимается частота больше испускаемой. Накладывая истинные частоты излучения и воспринимаемые движущимся объектом и высчитав их разницу (доплеровский сдвиг частоты), можно точно определить скорость движения объекта.
Или еще более просто - представьте, что вы стоите на мелководье и на ваши ноги накатываются легкие волны с определенной частотой, если вы сделаете насколько шагов навстречу следующей волне, то она коснется вас быстрее, нежели чем вы бы стояли на месте и ждали ее. Зная скорость движения волн и разницу во времени между их касаниями ваших ног, можно вычислить вашу скорость движения, т.е. ту скорость, с которой вы двигались на встречу волне. И так далее с любой неизвестной и в любом направлении. Если же вы будете продолжать идти навстречу волнам, то за определенный (постоянный) промежуток времени, ваших ног коснется большее количество волн, нежели если бы вы стояли на одном месте, это и есть фазовый сдвиг частоты волнового движения, который и зависит от скорости движения объекта.
Эффект Доплера в медицине используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца и других органов.
Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука
Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты: - микровибрации на клеточном и субклеточном уровне; - разрушение биомакромолекул; - перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран; - тепловое действие; - разрушение клеток и микроорганизмов. Медико-биологические приложения ультразвука можно в основном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.
К первому направлению относятся локационные методы диагностики с использованием главным образом импульсного излучения. Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется и в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. Разработан и внедрен метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез). Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации. Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного ультразвукового прибора можно обнаружить предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м. Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений в медицине поистине огромна.
