Ультразвук

Ультразвукові коливання і хвилі - це такі пружні коли­вання і хвилі, які мають частоту в межах від 20 кГц до 10⁹ Гц. Оскільки енергія пружних коливань і хвиль пропорційна добутку квадрата амплітуди і квадрата частоти відповідно до формули (1.61), то ультразвукові коливання і хвилі мають значно більшу енергію, ніж звукові коливання при одній і тій самій амплітуді. Так, наприклад, якщо частота коливань змінюється в тисячу разів, скажімо від 1 кГц (звукові коливання) до (ультразвукові коливання), то при цьому енергія коливань збільшується в мільйон разів.

З метою генерації та прийому ультразвукових коливань використовують найчастіше два методи: механічний, в якому джерелом ультразвуку є енергія потоку газу чи рідини, та електромагнітний, в якому для отримання ультразвуку використовують енергію електричних коливань відповідної ультразвукової частоти. Недолік першого методу - широкий спектр частот і нестабільність амплітуди. Другий метод дає більш вузьку смугу частот, що дозволяє використовувати такі ультразвукові генератори і приймачі з метою контролю і вимірювання, в тому числі і медико-біологічних показників.

Застосування ультразвуку в різних галузях, включаючи медицину, пов'язані з тією їх важливою властивістю, що будь-які зміни в середовищі, через яке проходить ультра­звукова хвиля, приводять до зміни швидкості розповсюд­ження і поглинання цієї хвилі, відбиття хвилі від границі розділу, акустичної кавітації - появи мікропорожнин в матері­альному середовищі (наприклад, в рідині) під дією коли­вань тиску. Так, при інтенсивності ультразвукової хвилі і частоті на відстані половини довжини хвилі утворюється дуже великий перепад тиску, що дорівнює тобто цей перепад в 630 разів перевищує нормальний атмосферний тиск. Кавітацій­ний та інші механізми дії ультразвуку можуть викликати механічні ефекти (розрив і загибель бактерій тощо), хімічні ефекти (збудження й іонізацію атомів та молекул з утворен­ням радикалів), які можуть бути як позитивними при відносно малих інтенсивностях, так і негативними при великих інтенсивностях ультразвукової хвилі.

Зупинимося більш детально на застосуваннях ультра­звуку в медицині:

1. Зміна швидкості і поглинання ультразвуку в різних органах і тканинах, а також відбиття ультразвукової хвилі на границях різних середовищ в організмі людини лежать в основі відомого методу ультразвукового дослідження (УЗД). Створені спеціальні комп'ютеризовані пристрої, які за певною програмою дозволяють візуалізувати зображення на екрані монітора. Сучасними прикладами УЗД в медицині є ультразвукова ехоенцефалографія - діагностування пух­лин та запалень головного мозку, ультразвукова кардіогра­фія - дослідження динаміки серцевої діяльності за допомо­гою ультразвуку, ультразвукова голографія - отримання тривимірних зображень біооб'єктів з використанням інтер­ференції ультразвукових променів тощо.

2. Дія ультразвукової хвилі з малою інтенсивністю на рівні 1 Втім² використовується як позитивний терапевтич­ний вплив, в основі якого лежить прискорення фізіологіч­них процесів у клітинах.

3. При збільшенні інтенсивності ультразвуку на декіль­ка порядків (до і вище) внутрішні рухи окремих цитоплазматичних частин клітин підсилюються, виникає ефект кавітації і, як наслідок, необоротні зміни структури і функцій клітин. Подібний механізм лежить в основі бактерицидної дії ультразвуку.

4.Ультразвуки великої інтенсивності використовуються також з метою руйнування різного роду новоутворень (пух­лин тощо). Подібний механізм дії ультразвуку застосовуєть­ся також в стоматології (зняття зубних каменів, висвердлю­вання зубних каналів тощо). Процес руйнування біологіч­них тканин при інтенсивностях вище використо­вується в ультразвуковій хірургії та при ультразвуковому остеосинтезі - зварюванні тканин та кісток за рахунок значного підвищення в них швидкості процесів дифузії.

5. У фармацевтичній промисловості кавітаційні проце­си, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, використовуються для диспергування твер­дих і рідких матеріалів з метою отримання лікарняних порошків і емульсій тощо.

6. Механічні та теплові ефекти, що виникають при дії ультразвуку на різні біологічні тканини, лежать в основі методу ультразвукової фізіотерапії.