Vaatamata sellele, et ultrahelilaineid hakati uurima rohkem kui sada aastat tagasi, hakati neid inimtegevuse erinevates valdkondades laialdaselt kasutama alles viimase poole sajandi jooksul. Selle põhjuseks on nii akustika kvant- ja mittelineaarse osa kui ka kvantelektroonika ja tahkisfüüsika aktiivne areng. Tänapäeval pole ultraheli mitte ainult akustiliste lainete kõrgsagedusliku piirkonna tähistus, vaid terve teaduslik suund kaasaegses füüsikas ja bioloogias, mis on seotud tööstuslike, info- ja mõõtmistehnoloogiate, aga ka diagnostiliste, kirurgiliste ja ravimeetoditega. kaasaegne meditsiin.
Mis see on?
Kõik helilained võib jagada inimesele kuuldavateks – need on sagedused vahemikus 16–18 tuhat Hz, ja nendeks, mis jäävad inimese tajuulatusest välja – infrapuna- ja ultrahelilained. Infraheli all mõistetakse laineid, mis on sarnased heliga, kuid mille sagedused on madalamad kui inimkõrv. Infrahelipiirkonna ülempiir on 16 Hz ja alumine piir on 0,001 Hz.
Ultraheli- need on samuti helilained, kuid ainult nende sagedus on kõrgem, kui inimese kuuldeaparaat suudab tajuda. Reeglina tähendavad need sagedusi 20 kuni 106 kHz. Nende ülempiir sõltub keskkonnast, milles need lained levivad. Seega on gaasilises keskkonnas piir 106 kHz ning tahketes ja vedelikes ulatub see 1010 kHz-ni. Ultrahelikomponente on vihma, tuule või koskede müras, välguheites ja merelaine veeretud kivikeste kahinas. Vaalad ja delfiinid, nahkhiired ja öised putukad orienteeruvad kosmoses tänu võimele tajuda ja analüüsida ultrahelilaineid.
Natuke ajalugu
Esimesed ultraheliuuringud (USA) viis 19. sajandi alguses läbi prantsuse teadlane F. Savart, kes püüdis välja selgitada inimese kuuldeaparaadi kuuldavuse sageduse ülemise piiri. Tulevikus tegelesid ultrahelilainete uurimisega sellised tuntud teadlased nagu sakslane V. Vin, inglane F. G alton, venelane P. Lebedev ja grupp tudengeid.
Prantsuse füüsik P. Langevin suutis 1916. aastal koostöös Vene emigrantteadlase Konstantin Šilovskiga kasutada kvartsi ultraheli mõõtmiseks ja väljastamiseks meremõõtmistel ning veealuste objektide tuvastamisel, mis võimaldas teadlastel luua esimese sonar, mis koosneb ultraheli saatjast ja vastuvõtjast.
1925. aastal lõi ameeriklane W. Pierce seadme, mida tänapäeval nimetatakse Pierce'i interferomeetriks ja mis mõõdab suure täpsusega kiirusi ja neeldumist.ultraheli vedelas ja gaasilises keskkonnas. 1928. aastal kasutas Nõukogude teadlane S. Sokolov esimesena ultrahelilaineid, et tuvastada tahketes ainetes, sealhulgas metallis esinevaid, mitmesuguseid defekte.
50-60-ndatel sõjajärgsetel aastatel hakati L. D. Rozenbergi juhitud Nõukogude teadlaste rühma teoreetiliste arengute põhjal ultraheli laialdaselt kasutama erinevates tööstus- ja tehnoloogiavaldkondades. Samal ajal areneb tänu Briti ja Ameerika teadlaste tööle ning Nõukogude teadlaste nagu R. V. Hokhlova, V. A. Krasilnikovi ja paljude teiste uurimistööle kiiresti selline teadusdistsipliin nagu mittelineaarne akustika.
Umbes samal ajal tehti Ameerika Ühendriikides esimesed katsed kasutada ultraheli meditsiinis.
Nõukogude teadlane Sokolov töötas eelmise sajandi neljakümnendate lõpus välja läbipaistmatute objektide visualiseerimiseks mõeldud instrumendi – "ultraheli" mikroskoobi - teoreetilise kirjelduse. Nende tööde põhjal lõid Stanfordi ülikooli eksperdid 70. aastate keskel skaneeriva akustilise mikroskoobi prototüübi.
Funktsioonid
Ühise olemusega nii kuuldava ulatusega lained kui ka ultrahelilained järgivad füüsikaseadusi. Kuid ultrahelil on mitmeid funktsioone, mis võimaldavad seda laialdaselt kasutada erinevates teaduse, meditsiini ja tehnoloogia valdkondades:
1. Väike lainepikkus. Ultraheli madalaima vahemiku puhul ei ületa see paari sentimeetrit, põhjustades signaali levimise kiirguse iseloomu. Samal ajal lainefokusseeritud ja levitatud lineaarsete kiirtega.
2. Ebaoluline võnkeperiood, mille tõttu võib ultraheli kiirguda impulssidena.
3. Erinevates keskkondades on ultrahelivõnkudel, mille lainepikkus ei ületa 10 mm, valguskiirtele sarnased omadused, mis võimaldavad vibratsiooni fokuseerida, moodustada suunatud kiirgust, st mitte ainult saata energiat õiges suunas, vaid ka koondada seda nõutav helitugevus.
4. Väikese amplituudiga on võimalik saada kõrgeid vibratsioonienergia väärtusi, mis võimaldab luua suure energiaga ultrahelivälju ja kiirteid ilma suuri seadmeid kasutamata.
5. Ultraheli mõjul keskkonnale on palju spetsiifilisi füüsikalisi, bioloogilisi, keemilisi ja meditsiinilisi mõjusid, näiteks:
- dispersioon;
- kavitatsioon;
- degaseerimine;
- kohalik küte;
- desinfitseerimine ja palju muud. teised
Vaatused
Kõik ultraheli sagedused on jagatud kolme tüüpi:
- ULF – madal, vahemikuga 20–100 kHz;
- MF – keskvahemik – 0,1–10 MHz;
- UZVCh – kõrgsagedus – 10–1000 MHz.
Tänapäeval on ultraheli praktiliseks kasutuseks eelkõige madala intensiivsusega lainete kasutamine erinevate materjalide ja toodete sisestruktuuri mõõtmisel, juhtimisel ja uurimisel. Kõrgsagedusi kasutatakse erinevate ainete aktiivseks mõjutamiseks, mis võimaldab muuta nende omadusija struktuur. Paljude haiguste diagnoosimine ja ravi ultraheliga (kasutades erinevaid sagedusi) on omaette ja aktiivselt arenev kaasaegse meditsiini valdkond.
Kus see kehtib?
Viimastel aastakümnetel pole ultraheli vastu huvi tundnud mitte ainult teadusteoreetikud, vaid ka praktikud, kes on seda üha enam juurutanud erinevatesse inimtegevustesse. Tänapäeval kasutatakse ultraheliseadmeid:
| Ainete ja materjalide kohta teabe hankimine | Sündmused | Sagedus kHz-des | ||
| alates | to | |||
| Uuringud ainete koostise ja omaduste kohta | tahked kehad | 10 | 106 | |
| vedelikud | 103 | 105 | ||
| gaasid | 10 | 103 | ||
| Suuruste ja tasemete juhtimine | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskoopia | 100 | 105 | ||
| Meditsiiniline diagnostika | 103 | 105 | ||
|
Mõjud ainete kohta |
Jotmine ja plaadistamine | 10 | 100 | |
| Keevitamine | 10 | 100 | ||
| Plastiline deformatsioon | 10 | 100 | ||
| Masintöötlemine | 10 | 100 | ||
| Emulgeerimine | 10 | 104 | ||
| Kristallisatsioon | 10 | 100 | ||
| Sprei | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosooli koagulatsioon | 1 | 100 | ||
| Dispersioon | 10 | 100 | ||
| Puhastus | 10 | 100 | ||
| Keemilised protsessid | 10 | 100 | ||
| Mõju põlemisele | 1 | 100 | ||
| kirurgia | 10 kuni 100 | 103 kuni 104 | ||
| Teraapia | 103 | 104 | ||
| Signaalitöötlus ja haldamine | Akustoelektroonilised muundurid | 103 | 107 | |
| Filtrid | 10 | 105 | ||
| Viiteliinid | 103 | 107 | ||
| Akusto-optilised seadmed | 100 | 105 | ||
Tänapäeva maailmas on ultraheli oluline tehnoloogiline tööriist järgmistes tööstusharudes:
- metallurgia;
- keemiline;
- põllumajandus;
- tekstiil;
- toit;
- farmakoloogiline;
- masinate ja instrumentide valmistamine;
- naftakeemia, rafineerimine ja muud.
Lisaks kasutatakse ultraheli üha enam meditsiinis. Sellest räägime järgmises jaotises.
Meditsiiniline kasutamine
Kaasaegses praktilises meditsiinis on erineva sagedusega ultraheli kolm peamist kasutusvaldkonda:
1. Diagnostika.
2. Terapeutiline.
3. Kirurgiline.
Vaatleme kõiki neid kolme valdkonda lähem alt.
Diagnoos
Üks kaasaegsemaid ja informatiivsemaid meditsiinidiagnostika meetodeid on ultraheli. Selle vaieldamatud eelised on: minimaalne mõju inimkudedele ja kõrge teabesisaldus.
Nagu juba mainitud, on ultraheli helilained,levib homogeenses keskkonnas sirgjooneliselt ja ühtlase kiirusega. Kui nende teel on erineva akustilise tihedusega alasid, siis osa võnkumisest peegeldub, teine osa aga murdub, jätkates samal ajal sirgjoonelist liikumist. Seega, mida suurem on piirkeskkonna tiheduse erinevus, seda rohkem peegelduvad ultraheli vibratsioonid. Kaasaegsed ultraheliuuringu meetodid võib jagada lokaalseteks ja poolläbipaistvateks.
Ultraheli asukoht
Sellise uuringu käigus salvestatakse erineva akustilise tihedusega kandjate piiridelt peegelduvad impulsid. Liigutatava anduri abil saab määrata uuritava objekti suurust, asukohta ja kuju.
Läbipaistev
See meetod põhineb asjaolul, et inimkeha erinevad koed neelavad ultraheli erinev alt. Mis tahes siseorgani uurimisel suunatakse sellesse teatud intensiivsusega laine, misjärel salvestatakse spetsiaalse anduriga edastatav signaal tagaküljelt. Skaneeritud objekti pilt reprodutseeritakse signaali intensiivsuse muutuse põhjal "sisendis" ja "väljundis". Saadud informatsiooni töötleb ja teisendab arvuti ehogrammi (kõvera) või sonogrammi – kahemõõtmelise kujutise kujul.
Doppleri meetod
See on kõige aktiivsem alt arenev diagnostikameetod, mis kasutab nii impulss- kui ka pidevat ultraheliuuringut. Dopplerograafiat kasutatakse laialdaselt sünnitusabis, kardioloogias ja onkoloogias, kuna see võimaldabJälgige ka kõige väiksemaid muutusi kapillaarides ja väikestes veresoontes.
Diagnostika rakendusvaldkonnad
Tänapäeval kasutatakse ultraheliuuringuid ja mõõtmismeetodeid kõige laialdasem alt sellistes meditsiinivaldkondades nagu:
- sünnitusabi;
- oftalmoloogia;
- kardioloogia;
- vastsündinute ja imikute neuroloogia;
- siseorganite uuring:
- neeru ultraheli;
- maks;
- sapipõis ja kanalid;
- naiste reproduktiivsüsteem;
välis- ja pindmiste organite (kilpnääre ja piimanäärmed) diagnoosimine
Kasutage ravis
Ultraheli peamine raviefekt tuleneb selle võimest tungida inimese kudedesse, soojendada ja soojendada neid ning teha üksikute piirkondade mikromassaaži. Ultraheli saab kasutada nii otsese kui ka kaudse mõju korral valu fookuses. Lisaks on neil lainetel teatud tingimustel bakteritsiidne, põletikuvastane, valuvaigistav ja spasmolüütiline toime. Terapeutilistel eesmärkidel kasutatav ultraheli jaguneb tinglikult kõrge ja madala intensiivsusega vibratsiooniks.
Madala intensiivsusega laineid kasutatakse kõige laialdasem alt füsioloogiliste reaktsioonide või kerge, mittekahjustava kuumenemise stimuleerimiseks. Ultraheliravi on andnud positiivseid tulemusi järgmiste haiguste puhul:
- artriit;
- artriit;
- müalgia;
- spondüliit;
- neuralgia;
- veenilaiendid ja troofilised haavandid;
- Anküloseeriv spondüliit;
- oblitereeriv endarteriit.
Käimas on uuringud, mis kasutavad ultraheli Meniere'i tõve, emfüseemi, kaksteistsõrmiksoole ja maohaavandite, astma, otoskleroosi raviks.
Ultrahelikirurgia
Ultraheli laineid kasutav kaasaegne kirurgia jaguneb kaheks valdkonnaks:
- kudede piirkondade valikuline hävitamine spetsiaalsete kontrollitud kõrge intensiivsusega ultrahelilainetega sagedustega 106 kuni 107 Hz;
– kirurgilise instrumendi kasutamine, mille ultraheli vibratsioon on vahemikus 20 kuni 75 kHz.
Selektiivse ultrahelikirurgia näide on kivide purustamine ultraheliga neerudes. Sellise mitteinvasiivse operatsiooni käigus mõjub ultrahelilaine kivile läbi naha, st väljaspool inimkeha.
Kahjuks on sellel kirurgilisel meetodil mitmeid piiranguid. Ärge kasutage ultraheli purustamist järgmistel juhtudel:
- rasedad naised igal ajal;
- kui kivide läbimõõt on üle kahe sentimeetri;
- mis tahes nakkushaiguste korral;
- haiguste esinemisel, mis häirivad normaalset vere hüübimist;
- raskete luukahjustuste korral.
Vaatamata asjaolule, et neerukivide eemaldamine ultraheliga toimub ilma operatsioonitasisselõigete korral on see üsna valulik ja seda tehakse üld- või lokaalanesteesia all.
Kirurgilisi ultraheliinstrumente ei kasutata mitte ainult luude ja pehmete kudede vähem valulikuks dissektsiooniks, vaid ka verekaotuse vähendamiseks.
Pöörame oma tähelepanu hambaravile. Ultraheli abil eemaldatakse hambakivid valutum alt ja kõik muud arsti manipulatsioonid on palju kergemini talutavad. Lisaks kasutatakse trauma- ja ortopeedilises praktikas ultraheli luumurdude terviklikkuse taastamiseks. Selliste operatsioonide käigus täidetakse luukildude vaheline ruum spetsiaalse ühendiga, mis koosneb luukildudest ja spetsiaalsest vedelast plastist ning seejärel eksponeeritakse ultraheliga, tänu millele on kõik komponendid kindl alt ühendatud. Need, kes on läbinud kirurgilisi sekkumisi, mille käigus kasutati ultraheli, jätavad erinevaid ülevaateid - nii positiivseid kui ka negatiivseid. Siiski tuleb märkida, et rahulolevaid patsiente on siiski rohkem!
