Ультразвук

                                           

При R=0 происходит полное проникновение ультразвука  из одной среды в другую, при R=1 происходит полное отражение ультразвука от границы раздела. 

Из-за большого различия акустических сопротивлений  жидкостей и газов, на границе  воздуха и воды отражается почти 100% ультразвуковых волн. Поэтому при лечении и диагностики с помощью ультразвука между излучателем и телом пациента должен быть создан хороший акустический контакт. Для этого поверхность тела смазывается жидкой средой (вода, вазелиновое масло и др.) с акустическим сопротивлением тела человека. 

4. Физическое  действие ультразвука  и его характеристика.

 

    Физическое  действие ультразвука сводится к трем основным проявлениям ( эффектам ): тепловое, механическое и физико-химическому действие.

    1. Тепловое    действие    -    это    явление    нагревания   среды    при    прохождении через неё ультразвука.

    Обусловлено поглощением УЗ  средой в результате чего  механическая энергия УЗ волны переходит в тепловую.

    Так как поглощение УЗ различными средами  не является полным, то и выделение  тепла не будет одинаковым. При  I_УЗ = 5 Вт/см² и t = 1 мин. температура костного  мозга  повышается на  5 ⁰С,   а    мышц   всего   лишь   на 1 ⁰С.

          Сравнительно много  тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Ткани со сложной  структурой более чувствительны, чем  однородные. Локальный нагрев ткани на доли градуса увеличивает жизнедеятельность биологических объектов, интенсивность процессов обмена. Длительное воздействие приводит к перегреву. 

    

2. Механическое  действие – обусловлено переменным давлением, возникающим в среде при прохождении УЗ. При распространении УЗ в жидкости в момент разряжения происходит микроразрыв жидкости, то есть образуется полость ( кавитационный пузырек ), в который устремляются пары жидкости. В момент сжатия происходит захлопывание пузырьков. При этом создаются кратковременные (t » 10^-6 с) импульсы давления (r » 10⁸ Па). Они способны разрушить весьма прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатным нагревом газа в пузырьке и его ионизацией. Кавитация начинается при интенсивностях I  ³ 8 кВт/м². Перепады давления приводят в колебательное движение частицы среды, что обуславливает его «дробящее» действие и более равномерное распределение частиц по всему объёму ( используется при приготовлении эмульсий и суспензий ). Эффект возникновения акустических потоков носит специальное название: звуковой ветер. С его помощью перемешиваются жидкости.

3. Физико-химическое действие – тесно связано с явлением кавитации, так как в кавитационных пузырьках кроме больших давлений возникают свободные радикалы и атомарный водород. Это приводит к тому, что под действием УЗ могут ускоряться различные химические процессы (звуковая химия).

 

    5. Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека. 

    Физически тело человека представляет собой неоднородную среду с участками различной  плотности и акустических свойств, разделёнными фазовыми поверхностями на различные области.

    При прохождении ультразвука в теле человека имеются следующие особенности:

    1) Скорость ультразвука в тканях тела человека зависит от вида ткани и тканевой среды. Её значения (м/с) для отдельных тканей следующие:

                                                   кровь           1543

                                                  кость           3270

                                                  мышцы        1568

                                                  печень       1570

    2) Ткани    тела   человека   сильно   рассеивают   и    отражают   ультразвук. Причина     —     морфологическая     неоднородность     тканей,     наличие множественных поверхностей раздела, 
различия    в    акустических    сопротивлениях.    Например,    акустическое 
сопротивление черепа и крови различаются в 3.5 раза.

    3) В тканях тела человека происходит сильное ослабление ультразвуковой волны вследствие её поглощения. Пример:  значение коэффициента поглощения черепа в 14 раз больше коэффициента поглощения мозга. 
 
 
 

4. Биологическое действие ультразвука  и его применение в биологии.

 

    По  результатам биологического действия  ультразвука    на    живые    системы    и    организм человека выделяют следующие характерные интенсивности:

                            Малые                   0       - 1,5Вт/м2

                            Средние                1,5    - 3,0 Вт/м2

                           Высокие               3,0    - 10,Вт/м2

                           Сверхвысокие   более - 10,0 Вт/м2

Малые и средние интенсивности оказывают  положительный биологический эффект, а высокие и сверхвысокие —  отрицательный.

Положительный эффект проявляется в стимуляции роста и развития клеток и тканей, а также повышении процессов  обмена веществ при действии ультразвука. Проявляется в ускорении роста злокачественных опухолей и клеток в культуре тканей, увеличении всхожести семян растений, рассасывании отёков.

Отрицательный биологический эффект проявляется  в задержке роста и развития клеток и тканей вплоть до их гибели. Примеры: разрушение эритроцитов и лейкоцитов (10 Вт/см); выкидыши у беременных крыс и кроликов (4 Вт/см2 ); гибель рыб и лягушек (5-10 Вт/см2).

У человека отрицательный биологический эффект проявлялся в паралитическом действии ультразвука, которое сопровождалось потерями памяти и нарушением фокусировки глаз.

    Применение  ультразвука в биологии основано на его физическом и биологическом действии.

    В биологии ультразвук используется:

    Для приготовления вакцин и сывороток, извлечения из бактерий 
токсинов, обладающих иммунными свойствами;

    Для ультразвуковой очистки и стерилизации биологической посуды;  

    Для измельчения биологически активных веществ и приготовления 
мелко дисперсных эмульсий типа «вода-масло» и суспензий:

    Для инактивации вирусов полиомиелита и энцефалита;

    При экспериментальном изучении роста  злокачественных опухолей 
(in vivo*) и в культуре тканей (in vitro).