Использование ультразвука в медицине

Роль ультразвука в науке и практике

Ультразвук в последние годы стал играть в научных исследованиях все большую роль. Были успешно проведены экспериментальные и теоретические изыскания в области акустических течений и ультразвуковой кавитации, что позволило ученым разработать технологические процессы, которые протекают при воздействии в жидкой фазе ультразвука.

Он является мощным методом исследования разнообразных явлений и в такой области знания, как физика. Ультразвук применяется, например, в физике полупроводников и твердого тела. Сегодня формируется отдельное направление химии, получившее название “ультразвуковая химия”. Ее применение позволяет ускорить множество химико-технологических процессов.

Помимо экспериментальных и теоретических работ в этой области, сегодня было выполнено множество практических. Разработаны специальные и универсальные ультразвуковые станки, установки, которые работают под повышенным статическим давлением и др. Внедрены в производство ультразвуковые автоматические установки, включенные в поточные линии, что позволяет существенно повысить производительность труда.

Основы ультразвука

Ультразвук (как и звук) нуждается в среде, в которой он может распространяться посредством локальной деформации среды. Можно представить себе среду, состоящую из маленьких сфер (например, атомов или молекул), которые связаны с пружинами. Когда механическая энергия передается через такую среду, сферы будут колебаться вокруг своего положения покоя.

Таким образом, распространение звука происходит за счет непрерывного обмена между кинетической энергией и потенциальной энергией, связанной с плотностью и упругими свойствами среды.Двумя простейшими волнами, которые могут существовать в твердых телах, являются продольные волны, в которых движения частиц происходят в том же направлении, что и распространение (или поток энергии), и поперечные (или сдвиговые волны), в которых движения происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В воде и мягких тканях волны в основном продольные.

Когда плоская волна создается с одной стороны резервуара для воды, можно также наблюдать отражение с другой стороны резервуара. Волна отражается точно так же, как луч света от зеркала или бильярдного шара, отскакивающего от барьера стола.Сферическая волна, которая, с другой стороны, исходит из точечного источника и распространяется во всех направлениях создает сложную картину, когда отражается от четырех сторон резервуара.

Подробнее об ультразвуке

Использование ультразвука в медицине

Расскажем подробнее о том, что такое ультразвук. Мы уже говорили о том, что это упругие волны и колебания. Частота ультразвука составляет более 15-20 кГц. Субъективными свойствами нашего слуха определяется нижняя граница ультразвуковых частот, которая отделяет ее от частоты слышимого звука. Эта граница, таким образом, является условной, и каждый из нас по-разному определяет, что такое ультразвук.

Верхняя граница обозначена упругими волнами, их физической природой. Они распространяются только в материальной среде, то есть длина волны должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега имеющихся в газе молекул или же межатомных расстояний в твердых телах и жидкостях. При нормальном давлении в газах верхняя граница частот УЗ – 109 Гц, а твердых телах и жидкостях – 1012-1013 Гц.

Генерация ультразвука

Лечебный ультразвук

Не менее благотворное действие оказывает ультразвук на лечение суставов. Суть его – механическая «пульсация» в глубоко расположенных тканях, сопровождающаяся локальным нагреванием. Ультразвук усиливает эффект от лечения медикаментами, ускоряет отток экссудата и расслабляет спазмированные мышцы. Благодаря противовоспалительному, противоотечному и рассасывающему действию ультразвука, процедура дает хороший эффект при лечении пяточной шпоры, трохантерита и начальных стадий артроза.

Ультразвук доставляет лекарство глубоко в сустав

Другой положительный момент метода – ультразвук «доставляет» лекарство в глубокие (5-6 см) слои ткани. Например, ультразвук с гидрокортизоном при заболеваниях коленных суставов может заменить выполнение травматичных внутрисуставных инъекций. Проводят ультразвук и с применением других анальгетиков, – анальгина, эуфиллина лидазы.

Использование ультразвука в медицине

Однако лечение суставов ультразвуком с гидрокортизоном наиболее эффективно, при условии, что дегенеративный процесс «не перешагнул» за II стадию.

Способен ультразвук доставить прямо в больной сустав и «скрепляющий» кальций.

Хотя единого мнения о том, полезен ли дарсонваль для суставов пока нет, этот метод, суть которого – воздействие высокочастотных токов малой силы, но высокого напряжения, нередко является профилактическим. «Точкой запуска» артроза принято считать момент нарушения суставной трофики. Активизируя перефирические нервы, кожу и мышцы в зоне воздействия, дарсонваль при артрозе выполняет роль стимулятора околосуставных мышц, опосредованно улучшающего трофику сустава.

Дарсонваль стимулирует мышцы и снимает боль

Применяя же дарсонваль для позвоночника, – выполняя массаж позвоночного столба при помощи особой Т-образной насадки, добиваются снятия болей в нем при остеохондрозе.

Данная физиопроцедура блокирует рецепторы периферических нервных окончаний, улучшая прохождение импульсов и восстанавливая чувствительность кожных покровов, что позволяет эффективно применять дарсонваль при грыже позвоночника с ее частым спутником – корешковым синдромом.

Расслабляющие сеансы магнитотерапии благотворно влияют на все системы, заставляя организм «включить» компенсаторно-приспособительные механизмы. Лечение артроза магнитотерапией происходит за счет локального теплового воздействия на все суставные «составные» с нагреванием его мышц и связок на 2-3 градуса.

Применяется магнитотерапия при неосложненных синовитом артрозах I-II стадии.

Ультразвуковой преобразователь отвечает за генерацию ультразвука и запись эхо-сигналов, генерируемых средой. Поскольку преобразователь должен производить механические колебания в мегагерцовом диапазоне, необходим материал, который может вибрировать так быстро. Пьезоэлектрические материалы идеально подходят для этого.

Типичный преобразователь состоит из дискообразного пьезоэлемента, который вибрирует, подавая электрический импульс через электрод с каждой стороны диска. Аналогично, эхо, возвращающееся на диск, заставляет его вибрировать, создавая небольшой электрический потенциал на тех же двух электродах, который может быть усилен и записан.

В современных клинических сканерах датчик состоит из сотен небольших пьезоэлементов, расположенных в виде массива, упакованного в небольшой корпус. Форма этой линии может быть либо линейной, либо выпуклой. Использование массивов с сотнями элементов, позволяет электронно фокусировать и направлять луч.

Источники ультразвука

Ультразвук в природе встречается и как компонент множества естественных шумов (водопада, ветра, дождя, гальки, перекатываемой прибоем, а также в сопровождающих разряды грозы звуках и т. д.), и как неотъемлемая часть животного мира. Им некоторые виды животных пользуются для ориентировки в пространстве, обнаружения препятствий.

Излучатели (источники) ультразвука делятся на 2 большие группы. Первая – это генераторы, в которых колебания возбуждаются из-за наличия в них препятствий, установленных на пути движения постоянного потока – струи жидкости или газа. Вторая группа, в которую можно объединить источники ультразвука, – электроакустические преобразователи, которые превращают заданные колебания тока или электрического напряжения в механическое колебание, совершаемое твердым телом, излучающее акустические волны в окружающую среду.

Пьезоэлектричество

Акустическое поле создается с помощью пьезоэлектрического эффекта, присутствующего в некоторых керамических материалах. Электроды (например, тонкие слои серебра) размещаются по обе стороны диска из такого материала. Одна сторона диска закреплена на амортизирующем так называемом материале подложки, другая сторона может свободно перемещаться.

применение ультразвука в медицине

Если к двум электродам приложить напряжение, то результатом будет физическая деформация поверхности кристалла, которая заставит окружение перед кристаллом вибрировать и, таким образом, генерировать звуковое поле. Если материал сжат или расширен, как это будет иметь место, когда акустическая волна ударяется о поверхность, смещение заряда внутри материала вызовет изменение напряжения на электродах. Это используется для излучения и приема акустической энергии в изделиях медицинской техники.

Поскольку ультразвуковой преобразователь или пьезоэлектрический кристалл – имеет размер, сравнимый с длиной волны или превышающий ее, генерируемое поле становится очень сложным. Вместо того, чтобы предоставлять уравнения для описания поля, теперь его попытаются визуализировать.Обратите внимание, что ключом к пониманию распространения ультразвука в заданную точку поля из двух разных исходных местоположений требуется разное время.

Интерференция, которая вызвана этим, совершенно уникальна для ультразвука. Пример: явления интерференции можно исследовать в повседневной жизни: если вы расположите себя с одним ухом, направленным в громкоговоритель, и включаете высокие частоты, то звуковая картина изменится, если вы будете двигаться перед громкоговорителем, особенно при движении перпендикулярно акустической оси громкоговорителя.

Происходит то, что ухо перемещается в разные точки пространства, что проявляет различное количество конструктивных и деструктивных помех. Это явление менее заметно на низких частотах (бас), потому что длина волны становится больше. Это также является причиной того, что стереосистема может работать с одним сабвуфером для очень низкой полосы частот, но нуждается в двух громкоговорителях для остальных более высоких частот.

Приемники ультразвука

На средних и низких частотах приемниками ультразвука выступают чаще всего пьезоэлектрического типа электроакустические преобразователи. Они могут воспроизводить форму полученного акустического сигнала, представленную как временная зависимость звукового давления. Приборы могут быть либо широкополосными, либо резонансными – в зависимости от того, для каких условий применения они предназначены.

Взаимодействие ультразвука со средой

Взаимодействие между средой и излучаемым в нее ультразвуком можно описать следующими явлениями:

  • Эхо-сигналы, которые возвращаются к преобразователю и таким образом дают информацию о среде, обусловлены двумя явлениями: отражением и рассеянием.
  • Отражение можно представить себе как когда бильярдный шар отскакивает от барьера стола, где угол отражения идентичен углу падения.
  • Рассеяние можно представить себе, когда кто-то светит сильным светом на кончик иглы: свет рассеивается во всех направлениях.

В акустике отражение и рассеяние имеют место, когда излучаемый импульс проходит через границу раздела между двумя средами с различными акустическими свойствами, как при попадании на границу раздела объекта с различными акустическими свойствами.В частности, отражение происходит, когда граница раздела велика относительно длины волны (например, между кровью и артерией). Рассеяние происходит, когда граница раздела мала относительно длины волны (например, эритроцит).

отраженная часть волны отражается назад точно в том же направлении, откуда она пришла (как с бильярдным шаром), и преломленная волна распространяется таким же образом, как падающая волна.Отражение и рассеяние могут происходить одновременно, например, если большая плоская поверхность раздела является грубой.

Где применяется ультразвук?

Ультразвук незаменим в медицине

Существует множество сфер его применения, при этом используются различные особенности ультразвука. Эти сферы можно разбить условно на три направления. Первое из них связано с получением посредством УЗ-волн различной информации. Второе направление – активное воздействие его на вещество. А третье связано с передачей и обработкой сигналов.

Отражение и передача

Когда плоская волна сталкивается с границей раздела между двумя средами с различными акустическими свойствами, происходит отражение и преломление, что означает, что часть волны отражается, а часть волны преломляется. Таким образом, волна продолжает свое распространение, но в новом направлении.Поскольку ультразвуковое эхо изменяется по силе в зависимости от угла падения, чем больше углов сканирования используется, тем больше вероятность того, что ультразвуковой луч перпендикулярен или почти перпендикулярен наблюдаемому объекту, и тем лучше он будет визуализирован.

Таким образом применение ультразвука в медицине основано на особенностях распространения волн в теле человека для диагностических и лечебных целях.

Очистка с помощью ультразвука

Качество такой очистки нельзя сравнить с другими способами. При полоскании деталей, к примеру, на поверхности их сохраняется до 80% загрязнений, около 55 % – при вибрационной очистке, около 20 % – при ручной, а при ультразвуковой остается не более 0,5 % загрязнений. Детали, которые имеют сложную форму, возможно хорошо очистить лишь с помощью ультразвука.

Серьезная проблема – загрязнение воздуха копотью, дымом, пылью, окислами металлов и т. д. Можно использовать ультразвуковой способ очистки воздуха и газа в газоотводах независимо от влажности среды и температуры. Если УЗ-излучатель поместить в пылеосадочную камеру, в сотни раз увеличится эффективность ее действия.

В чем же заключается сущность такой очистки? Беспорядочно движущиеся в воздухе пылинки сильнее и чаще ударяются друг о друга под действием ультразвуковых колебаний. При этом размер их увеличивается за счет того, что они сливаются. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц. Специальными фильтрами улавливаются утяжеленные и укрупненные их скопления.

Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов

применение ультразвука

Если ввести между обрабатываемой деталью и рабочей поверхностью инструмента, использующего ультразвук, абразивный материал, то частицы абразива при работе излучателя станут воздействовать на поверхность этой детали. При этом разрушается материал и удаляется, подвергаясь обработке под действием множества направленных микроударов.

Ультразвук может проделывать различные работы. Для абразивных зерен источником энергии являются продольные колебания. Они и разрушают обрабатываемый материал. Движение подачи (вспомогательное) может быть круговым, поперечным и продольным. Обработка с помощью ультразвука имеет большую точность. В зависимости от того, какую зернистость имеет абразив, она составляет от 50 до 1 мк.

Ультразвук в радиоэлектронике

Ультразвук в технике часто используется в области радиоэлектроники. В этой сфере часто появляется необходимость задержать электрический сигнал относительно какого-то другого. Ученые нашли удачное решение, предложив использовать ультразвуковые линии задержки (сокращенно – ЛЗ). Их действие основано на том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые механические колебания.

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи используют для преобразования колебаний электрических в механические и обратно. ЛЗ соответственно этому делятся на пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Ультразвук в медицине

Различные виды ультразвука применяются для воздействия на живые организмы. В медицинской практике его использование сейчас очень популярно. Оно основывается на эффектах, которые возникают в биологических тканях тогда, когда через них проходит ультразвук. Волны вызывают колебания частиц среды, что создает своеобразный микромассаж тканей.

А поглощение ультразвука ведет к их локальному нагреванию. Вместе с тем в биологических средах происходят определенные физико-химические превращения. Эти явления в случае умеренной интенсивности звука необратимых повреждений не вызывают. Они только улучшают обмен веществ, а значит и способствуют жизнедеятельности подверженного им организма. Такие явления применяются в УЗ-вой терапии.

Давно известно, что ультразвуковое излучение можно сделать
узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил повреждающее
действие ультразвукового излучения на живые организмы.  Результаты его
наблюдений, а также сведения о том, что ультразвуковые волны могут проникать
сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала
1930-х гг.

возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии
различных заболеваний. Этот интерес не ослабевал и в дальнейшем, причем
развитие медицинских приложений шло по самым различным направлениям;  особенно
широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее, лишь
сравнительно недавно стал намечаться истинно научный подход к анализу явлений,
возникающих при взаимодействии ультразвукового излучения с биологической
средой.

С применением
ультразвука в медицине связано множество разных аспектов. Однако, при этом 
физика явления должна включать следующие процессы: распространение ультразвука
в «биологической среде», такой как тело человека, взаимодействие ультразвука с
компонентами этой среды и измерения и регистрация акустического излучения, как
падающего на объект, так и возникающего в результате взаимодействия с ними.

Проблема
интерпретации взаимодействия акустического излучения с биологической средой
существенно упрощается, если последнюю рассматривать не как твердое тело, а как
жидкость. В такой среде нет сдвиговых волн, поэтому теория  распространения
волн проще, чем для твердого тела. В диапазоне ультразвуковых частот,
применяемых в медицинской акустике, это предположение справедливо почти для
всех тканей тела, хотя имеются и исключения, например кость.

                       
Прием и измерение ультразвука

В медицинских или биологических приложениях
необходимость в приеме и измерении ультразвука возникает в трех обширных
областях. Это получение диагностической информации от пациента, измерение
акустических полей,  которыми могут  облучаться живые клетки и ткани, в том
числе и ткани пациентов.

Ультразвук по
определению не воспринимается непосредствен-но органами чувств человека, и
поэтому необходимо использовать какой-то физический эффект  или
последовате-льность таких эффектов, чтобы действие ультразвука могло
проявиться,  причем главным образом количественно. Таким образом, выбор метода
для конкретной задачи производится сточки зрения удобства его применения, а
также точности измерения интересующего параметра акустического поля.

что такое ультразвук

                      Эхо-имульсивные
методы визуализации

                                     
            и измерений

   Методы ультразвуковой эхо-импульсной
визуализации уже нашли широкое и разнообразное применение в медицине.

Основным элементом
любой системы визуализации является электроакустический преобразователь,
который служит для излучения зондирующего акустического импульса в объект и для
приема акустических эхо-сигналов, переизлучаемых мишенью.

Приемник
представляет собой своего рода систему сопряжения между преобразователем и
дисплеем или системой записи, которые применяются для передачи наблюдателю
информации, полученной с помощью ультразвука. В хороших системах эхо-сигналы на
выходе преобразователя имеют большой динамический диапазон.

           Области
применения эхо-импульсных методов

  Эхо-импульсные
методы в настоящее время стали широко применятся во многих областях медицины.

                             
        АКУШЕРСТВО

Акушерство – та область медицины, где
эхо-импульсивные ультразвуковые методы наиболее прочно укоренились как
составная часть медицинской практики. Рассматриваемые здесь четыре основных
задачи иллюстрируют ценность многих полезных свойств ультразвуковых методов.

·
Надежное определение положения плаценты – задача первостепенной
важности в акушерской практике. С развитием техники, обеспечивающее высокое расширение
по контрасту, эта процедура стала уже рутинной. Приборы, работающие в реальном времени,
эргономически более выгодны, так как позволяют определять положения плаценты
быстрее, чем статические сканеры.

·
Второй вид процедур,
ставших уже привычными, – оценка развития плода по измерению одного или более
его размеров, таких как диаметр головки, окружность головки, площадь грудной
клетки или живота. Так как даже очень малые изменения этих размеров могут иметь
диагностическое значение, эти методы требуют высокой  точности самой аппаратуры
и методик ее применения.

·
Третий вид процедур, появившийся
не так давно и не столь еще укоренившийся в практике, – раннее обнаружение
аномалий плода. Это приложение требует особенно хорошего пространственного
разрешения и разрешения по контрасту, предпочтительно в сочетании с режимом
реального времени и быстрым сканированием.

Хорошие методики и качественная аппаратура
позволяют обнаруживать такие дефекты, как недоразвитие (гибель) яйца,
анэнцефалия (полное или почти полное отсутствие мозга), гидроцефалия (избыток жидкости
в мозге, наблюдаемый в виде уширения желудочков), спинальные (позвоночные)
дефекты, зачастую необнаружимые биохимическими методами, и дефекты
желудочно-кишечного тракта.

физика ультразвук

Вспомогательную, но очень важную роль играет
ультразвук в процедуре амниоцентеза (пункции плодного пузыря) – взятии околоплодных
вод для цитологических исследований и выявления возможных генетических
нарушений. Ввод иглы при амниоцентезе под контролем ультразвуковой
визуализации, обеспечивает значительно большую безопасность этой процедуры.

·
Наконец, необходимо
отметить ультразвуковое исследование движения плода. Это явление лишь недавно
стало предметом подробного исследования.  Сейчас происходит накопление большого
количества информации как по движению конечностей плода и псевдодыханию, так и
по динамике сердца и сосудов. Здесь основной интерес представляет исследования
физиологии и развития плода; до обнаружения аномалий плода пока еще далеко.

Ультразвук в хирургии

Кавитация и сильное нагревание при больших интенсивностях приводят к разрушению тканей. Данный эффект применяется сегодня в хирургии. Фокусный ультразвук используют для хирургических операций, что позволяет осуществлять локальные разрушения в самых глубинных структурах (к примеру, мозга), не повреждая при этом окружающие.

В хирургии также используются ультразвуковые инструменты, в которых рабочий конец имеет вид пилки, скальпеля, иглы. Колебания, накладываемые на них, придают новые качества этим приборам. Требуемое усилие значительно снижается, следовательно, уменьшается травматизм операции. К тому же проявляется обезболивающий и кровоостанавливающий эффект. Воздействие тупым инструментом с применением ультразвука используется для разрушения появившихся в организме некоторых видов новообразований.

Воздействие на биологические ткани осуществляется для разрушения микроорганизмов и используется в процессах стерилизации лекарственных средств и медицинских инструментов.

Исследование внутренних органов

В основном речь идет об исследовании брюшной полости. Для этой цели используется специальный аппарат. Ультразвук может применяться для нахождения и распознавания различных аномалий тканей и анатомических структур. Задача зачастую такова: существует подозрение на наличие злокачественного образования и требуется отличить его от образования доброкачественного или инфекционного.

Ультразвук полезен при исследовании печени и для решения других задач, к которым относится обнаружение непроходимости и заболеваний желчных протоков, а также исследование желчного пузыря для выявления наличия в нем камней и других патологий. Кроме того, может применяться исследование цирроза и других диффузных доброкачественных заболеваний печени.

В области гинекологии, главным образом при анализе яичников и матки, применение ультразвука является в течение длительного времени главным направлением, в котором оно осуществляется особенно успешно. Зачастую здесь также нужна дифференциация доброкачественных и злокачественных образований, что требует обычно наилучшего контрастного и пространственного разрешения. Подобные заключения могут быть полезны и при исследовании множества других внутренних органов.

Применение ультразвука в стоматологии

                        
       ультразвука в медицине

   Как научные, так и профессиональные интересы обязывают
ученых выяснить, какую опасность для пациента и оператора представляет
использование ультразвука.

   В настоящее время 
невозможно выделить один или даже несколько физических параметров, которые служили
бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих предсказать
конечный биологический эффект.

1.  
Оператор должен
использовать минимальные интенсивности и экспозиции, позволяющие получить у
пациента желаемый клинический эффект;

2.  
Обслуживающий персонал
не должен облучатся без необходимости;

3.  
Все процедуры должны
выполнятся хорошо обученным персоналом или под его руководством.

Если следовать этим рекомендациям, то
ультразвук можно эффективно использовать в медицине с большой уверенностью в
его безопасности.

                              План реферата

2.
Прием и измерение
ультразвука

3.
Эхо-импульсивные методы визуализации
и измерений

4.
Области применения
эхо-импульсных методов

5.
Применение ультразвука в
терапии и хирургии

6.
Оценка безопасности применения
ультразвука в медицине

                Использованная литература

https://www.youtube.com/watch?v=-Y7DTrAvPiU

1.
 Хилл К. – «Применение
ультразвука в медицине» –   1989г.

2.
Ремизов А.Н. – «Медицинская
и биологическая физика» – 1987г

3.
Крылов Н.П. и Рокитянский
В.И. – «Ультразвук и его применение» – 1958г

Ультразвук также нашел свое применение и в стоматологии, где он используется для удаления зубного камня. Он позволяет быстро, бескровно и безболезненно снять налет и камень. При этом слизистая полость рта не травмируется, а “карманы” полости обеззараживаются. Вместо боли пациент испытывает ощущение теплоты.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Народная медицина и ЗОЖ