Παρά το γεγονός ότι η μελέτη των υπερηχητικών κυμάτων ξεκίνησε πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια, μόλις τον τελευταίο μισό αιώνα χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Αυτό οφείλεται στην ενεργό ανάπτυξη τόσο του κβαντικού και μη γραμμικού τμήματος της ακουστικής όσο και της κβαντικής ηλεκτρονικής και της φυσικής στερεάς κατάστασης. Σήμερα, ο υπέρηχος δεν είναι απλώς ένας προσδιορισμός της περιοχής υψηλής συχνότητας των ακουστικών κυμάτων, αλλά μια ολόκληρη επιστημονική κατεύθυνση στη σύγχρονη φυσική και βιολογία, η οποία συνδέεται με βιομηχανικές τεχνολογίες, τεχνολογίες πληροφοριών και μετρήσεων, καθώς και με διαγνωστικές, χειρουργικές και θεραπευτικές μεθόδους σύγχρονη ιατρική.
Τι είναι αυτό;
Όλα τα ηχητικά κύματα μπορούν να χωριστούν σε αυτά που ακούγονται από τον άνθρωπο - πρόκειται για συχνότητες από 16 έως 18 χιλιάδες Hz και εκείνα που βρίσκονται εκτός του εύρους της ανθρώπινης αντίληψης - υπέρυθρες και υπερήχους. Ο υπέρηχος νοείται ως κύματα παρόμοια με τον ήχο, αλλά με συχνότητες χαμηλότερες από αυτές που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο αυτί. Το ανώτερο όριο της περιοχής υπερήχων είναι 16 Hz και το κατώτερο όριο είναι 0,001 Hz.
Υπερηχογράφημα- και αυτά είναι ηχητικά κύματα, αλλά μόνο η συχνότητά τους είναι μεγαλύτερη από αυτή που μπορεί να αντιληφθεί το ανθρώπινο ακουστικό. Κατά κανόνα, σημαίνουν συχνότητες από 20 έως 106 kHz. Το ανώτερο όριο τους εξαρτάται από το μέσο στο οποίο διαδίδονται αυτά τα κύματα. Έτσι, σε ένα αέριο μέσο, το όριο είναι 106 kHz και σε στερεά και υγρά φτάνει τα 1010 kHz. Υπάρχουν εξαρτήματα υπερήχων στον θόρυβο της βροχής, του ανέμου ή των καταρρακτών, στις εκκενώσεις κεραυνών και στο θρόισμα των βότσαλων που κυλίονται από το κύμα της θάλασσας. Χάρη στην ικανότητα αντίληψης και ανάλυσης των υπερηχητικών κυμάτων, οι φάλαινες και τα δελφίνια, οι νυχτερίδες και τα νυχτερινά έντομα προσανατολίζονται στο διάστημα.
Λίγη ιστορία
Οι πρώτες μελέτες υπερήχων (Η. Π. Α.) πραγματοποιήθηκαν στις αρχές του 19ου αιώνα από τον Γάλλο επιστήμονα F. Savart, ο οποίος προσπάθησε να ανακαλύψει το ανώτερο όριο συχνότητας της ακουστικότητας του ανθρώπινου ακουστικού βαρηκοΐας. Στο μέλλον, γνωστοί επιστήμονες όπως ο Γερμανός V. Vin, ο Άγγλος F. G alton, ο Ρώσος P. Lebedev και μια ομάδα φοιτητών ασχολήθηκαν με τη μελέτη των υπερηχητικών κυμάτων.
Το 1916, ο Γάλλος φυσικός P. Langevin, σε συνεργασία με τον Ρώσο μετανάστη επιστήμονα Konstantin Shilovsky, μπόρεσε να χρησιμοποιήσει χαλαζία για να λάβει και να εκπέμψει υπερήχους για θαλάσσιες μετρήσεις και να ανιχνεύσει υποβρύχια αντικείμενα, γεγονός που επέτρεψε στους ερευνητές να δημιουργήσουν το πρώτο σόναρ, που αποτελείται από πομπό και δέκτη υπερήχων.
Το 1925, ο Αμερικανός W. Pierce δημιούργησε μια συσκευή, που σήμερα ονομάζεται συμβολόμετρο Pierce, η οποία μετρά τις ταχύτητες και την απορρόφηση με μεγάλη ακρίβειαυπερηχογράφημα σε υγρά και αέρια μέσα. Το 1928, ο Σοβιετικός επιστήμονας S. Sokolov ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε υπερηχητικά κύματα για να ανιχνεύσει διάφορα ελαττώματα σε στερεά, συμπεριλαμβανομένων των μεταλλικών.
Στη μεταπολεμική δεκαετία του '50-60, με βάση τις θεωρητικές εξελίξεις μιας ομάδας σοβιετικών επιστημόνων με επικεφαλής τον L. D. Rozenberg, ο υπέρηχος άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους βιομηχανικούς και τεχνολογικούς τομείς. Ταυτόχρονα, χάρη στο έργο Βρετανών και Αμερικανών επιστημόνων, καθώς και στην έρευνα Σοβιετικών ερευνητών όπως οι R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov και πολλοί άλλοι, αναπτύσσεται γρήγορα ένας επιστημονικός κλάδος όπως η μη γραμμική ακουστική.
Περίπου την ίδια εποχή, έγιναν οι πρώτες αμερικανικές απόπειρες χρήσης υπερήχων στην ιατρική.
Ο Σοβιετικός επιστήμονας Sokolov στα τέλη της δεκαετίας του σαράντα του περασμένου αιώνα ανέπτυξε μια θεωρητική περιγραφή ενός οργάνου σχεδιασμένου να απεικονίζει αδιαφανή αντικείμενα - ένα μικροσκόπιο "υπερήχων". Με βάση αυτά τα έργα, στα μέσα της δεκαετίας του '70, ειδικοί από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ δημιούργησαν ένα πρωτότυπο ακουστικού μικροσκοπίου σάρωσης.
Λειτουργίες
Έχοντας κοινή φύση, τα κύματα του ακουστικού εύρους, καθώς και τα υπερηχητικά κύματα, υπακούουν στους φυσικούς νόμους. Αλλά ο υπέρηχος έχει μια σειρά από χαρακτηριστικά που του επιτρέπουν να χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους τομείς της επιστήμης, της ιατρικής και της τεχνολογίας:
1. Μικρό μήκος κύματος. Για το χαμηλότερο εύρος υπερήχων, δεν υπερβαίνει τα λίγα εκατοστά, προκαλώντας τη φύση της ακτίνας της διάδοσης του σήματος. Ταυτόχρονα, το κύμαεστιάζεται και διαδίδεται με γραμμικές δέσμες.
2. Ασήμαντη περίοδος ταλάντωσης, λόγω της οποίας ο υπέρηχος μπορεί να εκπέμπεται σε παλμούς.
3. Σε διάφορα περιβάλλοντα, οι δονήσεις υπερήχων με μήκος κύματος που δεν υπερβαίνει τα 10 mm έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τις ακτίνες φωτός, γεγονός που καθιστά δυνατή την εστίαση των κραδασμών, το σχηματισμό κατευθυνόμενης ακτινοβολίας, δηλαδή όχι μόνο την αποστολή ενέργειας προς τη σωστή κατεύθυνση, αλλά και τη συγκέντρωση της στην απαιτούμενος τόμος.
4. Με μικρό εύρος, είναι δυνατό να ληφθούν υψηλές τιμές ενέργειας δόνησης, που καθιστά δυνατή τη δημιουργία πεδίων και ακτίνων υπερήχων υψηλής ενέργειας χωρίς τη χρήση μεγάλου εξοπλισμού.
5. Υπό την επίδραση του υπερήχου στο περιβάλλον, υπάρχουν πολλές συγκεκριμένες φυσικές, βιολογικές, χημικές και ιατρικές επιδράσεις, όπως:
- dispersion;
- σπηλαίωση;
- απαέρωση;
- τοπική θέρμανση;
- απολύμανση και πολλά άλλα. άλλοι
Προβολές
Όλες οι συχνότητες υπερήχων χωρίζονται σε τρεις τύπους:
- ULF - χαμηλό, με εύρος από 20 έως 100 kHz;
- MF - μεσαίου εύρους - από 0,1 έως 10 MHz;
- UZVCh - υψηλή συχνότητα - από 10 έως 1000 MHz.
Σήμερα, η πρακτική χρήση των υπερήχων είναι κυρίως η χρήση κυμάτων χαμηλής έντασης για τη μέτρηση, τον έλεγχο και τη μελέτη της εσωτερικής δομής διαφόρων υλικών και προϊόντων. Η υψηλή συχνότητα χρησιμοποιείται για να επηρεάσει ενεργά διάφορες ουσίες, γεγονός που σας επιτρέπει να αλλάξετε τις ιδιότητές τουςκαι δομή. Η διάγνωση και η θεραπεία πολλών ασθενειών με υπερήχους (με χρήση διαφορετικών συχνοτήτων) είναι ένας ξεχωριστός και ενεργά αναπτυσσόμενος τομέας της σύγχρονης ιατρικής.
Πού ισχύει;
Τις τελευταίες δεκαετίες, όχι μόνο οι επιστημονικοί θεωρητικοί ενδιαφέρονται για τον υπέρηχο, αλλά και οι επαγγελματίες που τον εισάγουν όλο και περισσότερο σε διάφορους τύπους ανθρώπινης δραστηριότητας. Σήμερα οι μονάδες υπερήχων χρησιμοποιούνται για:
| Λήψη πληροφοριών σχετικά με ουσίες και υλικά | Εκδηλώσεις | Συχνότητα σε kHz | ||
| από | έως | |||
| Έρευνα για τη σύνθεση και τις ιδιότητες των ουσιών | στερεά σώματα | 10 | 106 | |
| υγρά | 103 | 105 | ||
| αέρια | 10 | 103 | ||
| Έλεγχος μεγεθών και επιπέδων | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Ελαττοσκόπηση | 100 | 105 | ||
| Ιατρικά διαγνωστικά | 103 | 105 | ||
|
Επιπτώσεις σε ουσίες |
Συγκόλληση και επιμετάλλωση | 10 | 100 | |
| Συγκόλληση | 10 | 100 | ||
| Πλαστική παραμόρφωση | 10 | 100 | ||
| Μηχανική | 10 | 100 | ||
| Γαλακτωματοποίηση | 10 | 104 | ||
| Κρυστάλλωση | 10 | 100 | ||
| Σπρέι | 10-100 | 103-104 | ||
| Πήξη αερολύματος | 1 | 100 | ||
| Dispersion | 10 | 100 | ||
| Cleaning | 10 | 100 | ||
| Χημικές διεργασίες | 10 | 100 | ||
| Επίδραση στην καύση | 1 | 100 | ||
| Χειρουργική | 10 έως 100 | 103 έως 104 | ||
| Θεραπεία | 103 | 104 | ||
| Επεξεργασία και διαχείριση σήματος | Ακουστοηλεκτρονικοί μετατροπείς | 103 | 107 | |
| Φίλτρα | 10 | 105 | ||
| Γραμμές καθυστέρησης | 103 | 107 | ||
| Acousto-optic συσκευές | 100 | 105 | ||
Στον σημερινό κόσμο, ο υπέρηχος είναι ένα σημαντικό τεχνολογικό εργαλείο σε βιομηχανίες όπως:
- μεταλλουργικό;
- χημικό;
- αγροτικό;
- textile;
- food;
- φαρμακολογικό;
- μηχανουργία και οργάνων;
- πετροχημικά, διύλιση και άλλα.
Επιπλέον, ο υπέρηχος χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην ιατρική. Για αυτό θα μιλήσουμε στην επόμενη ενότητα.
Ιατρική χρήση
Στη σύγχρονη πρακτική ιατρική, υπάρχουν τρεις κύριοι τομείς χρήσης των υπερήχων διαφόρων συχνοτήτων:
1. Διαγνωστικό.
2. Θεραπευτικό.
3. Χειρουργική.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε κάθε έναν από αυτούς τους τρεις τομείς.
Διάγνωση
Μία από τις πιο σύγχρονες και κατατοπιστικές μεθόδους ιατρικής διάγνωσης είναι ο υπέρηχος. Τα αναμφισβήτητα πλεονεκτήματά του είναι: ελάχιστη επίδραση στους ανθρώπινους ιστούς και υψηλό περιεχόμενο πληροφοριών.
Όπως ήδη αναφέρθηκε, ο υπέρηχος είναι ηχητικά κύματα,που διαδίδεται σε ομοιογενές μέσο σε ευθεία γραμμή και με σταθερή ταχύτητα. Εάν υπάρχουν περιοχές με διαφορετικές ακουστικές πυκνότητες στο δρόμο τους, τότε μέρος των ταλαντώσεων ανακλάται και το άλλο μέρος διαθλάται, ενώ συνεχίζει την ευθύγραμμη κίνησή του. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στην πυκνότητα των οριακών μέσων, τόσο περισσότεροι κραδασμοί υπερήχων ανακλώνται. Οι σύγχρονες μέθοδοι υπερηχογραφικής εξέτασης μπορούν να χωριστούν σε εντοπισμένες και ημιδιαφανείς.
Θέση υπερήχων
Στη διαδικασία μιας τέτοιας μελέτης, καταγράφονται παλμοί που ανακλώνται από τα όρια των μέσων με διαφορετικές ακουστικές πυκνότητες. Με τη βοήθεια ενός κινητού αισθητήρα, μπορείτε να ορίσετε το μέγεθος, τη θέση και το σχήμα του υπό μελέτη αντικειμένου.
Ημιδιαφανές
Αυτή η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι διαφορετικοί ιστοί του ανθρώπινου σώματος απορροφούν διαφορετικά τον υπέρηχο. Κατά τη μελέτη οποιουδήποτε εσωτερικού οργάνου, ένα κύμα με μια ορισμένη ένταση κατευθύνεται σε αυτό, μετά το οποίο το μεταδιδόμενο σήμα καταγράφεται από την πίσω πλευρά με έναν ειδικό αισθητήρα. Η εικόνα του σαρωμένου αντικειμένου αναπαράγεται με βάση την αλλαγή στην ένταση του σήματος στην "είσοδο" και την "έξοδο". Οι λαμβανόμενες πληροφορίες επεξεργάζονται και μετατρέπονται από υπολογιστή με τη μορφή ηχογράμματος (καμπύλη) ή υπερηχογράφημα - μια δισδιάστατη εικόνα.
Μέθοδος Doppler
Αυτή είναι η πιο ενεργά αναπτυσσόμενη διαγνωστική μέθοδος, η οποία χρησιμοποιεί τόσο παλμικό όσο και συνεχή υπέρηχο. Η Dopplerography χρησιμοποιείται ευρέως στη μαιευτική, την καρδιολογία και την ογκολογία, όπως το επιτρέπειπαρακολουθείτε ακόμη και τις πιο μικρές αλλαγές στα τριχοειδή αγγεία και τα μικρά αιμοφόρα αγγεία.
Πεδία εφαρμογής διαγνωστικών
Σήμερα, οι μέθοδοι απεικόνισης και μέτρησης με υπερήχους χρησιμοποιούνται ευρέως σε ιατρικούς τομείς όπως:
- μαιευτική;
- οφθαλμολογία;
- καρδιολογία;
- νευρολογία νεογνών και βρεφών;
- εξέταση εσωτερικών οργάνων:
- υπερηχογράφημα νεφρών;
- συκώτι;
- χοληδόχος κύστη και πόροι;
- γυναικείο αναπαραγωγικό σύστημα;
διάγνωση εξωτερικών και επιφανειακών οργάνων (θυρεοειδής και μαστικοί αδένες)
Χρήση στη θεραπεία
Το κύριο θεραπευτικό αποτέλεσμα του υπερήχου οφείλεται στην ικανότητά του να διεισδύει στους ανθρώπινους ιστούς, να τους ζεσταίνει και να τους ζεσταίνει και να κάνει μικρομασάζ μεμονωμένων περιοχών. Ο υπέρηχος μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για άμεσες όσο και για έμμεσες επιδράσεις στην εστία του πόνου. Επιπλέον, υπό ορισμένες συνθήκες, αυτά τα κύματα έχουν βακτηριοκτόνο, αντιφλεγμονώδες, αναλγητικό και αντισπασμωδικό αποτέλεσμα. Ο υπέρηχος που χρησιμοποιείται για θεραπευτικούς σκοπούς χωρίζεται υπό όρους σε δονήσεις υψηλής και χαμηλής έντασης.
Είναι τα κύματα χαμηλής έντασης που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διέγερση φυσιολογικών αποκρίσεων ή για ελαφρά, μη επιβλαβή θέρμανση. Η θεραπεία με υπερήχους έχει δείξει θετικά αποτελέσματα σε ασθένειες όπως:
- αρθρίτιδα;
- αρθρίτιδα;
- μυαλγία;
- σπονδυλίτιδα;
- νευραλγία;
- κιρσοί και τροφικά έλκη;
- Αγκυλοποιητική σπονδυλίτιδα;
- εξαφανιστική ενδαρτηρίτιδα.
Μελέτες που χρησιμοποιούν υπερήχους για τη θεραπεία της νόσου του Meniere, του εμφυσήματος, του δωδεκαδακτύλου και του γαστρικού έλκους, του άσθματος, της ωτοσκλήρωσης βρίσκονται σε εξέλιξη.
Υπερηχογραφική Χειρουργική
Η σύγχρονη χειρουργική με χρήση κυμάτων υπερήχων χωρίζεται σε δύο τομείς:
- επιλεκτική καταστροφή περιοχών ιστού με ειδικά ελεγχόμενα κύματα υπερήχων υψηλής έντασης με συχνότητες από 106 έως 107 Hz;6
- χρήση χειρουργικού οργάνου με υπερήχους δονήσεις από 20 έως 75 kHz.
Ένα παράδειγμα επιλεκτικής χειρουργικής με υπερήχους είναι η σύνθλιψη λίθων με υπερηχογράφημα στα νεφρά. Στη διαδικασία μιας τέτοιας μη επεμβατικής επέμβασης, ένα υπερηχητικό κύμα δρα στην πέτρα μέσω του δέρματος, δηλαδή έξω από το ανθρώπινο σώμα.
Δυστυχώς, αυτή η χειρουργική μέθοδος έχει αρκετούς περιορισμούς. Μην χρησιμοποιείτε σύνθλιψη με υπερήχους στις ακόλουθες περιπτώσεις:
- έγκυες γυναίκες ανά πάσα στιγμή;
- εάν η διάμετρος των λίθων είναι μεγαλύτερη από δύο εκατοστά, - για τυχόν μολυσματικές ασθένειες;
- παρουσία ασθενειών που διαταράσσουν την κανονική πήξη του αίματος, - σε περίπτωση σοβαρών οστικών βλαβών.
Παρά το γεγονός ότι η αφαίρεση λίθων στα νεφρά με υπερηχογράφημα γίνεται χωρίς χειρουργική επέμβασητομές, είναι αρκετά επώδυνη και γίνεται με γενική ή τοπική αναισθησία.
Τα χειρουργικά όργανα υπερήχων χρησιμοποιούνται όχι μόνο για λιγότερο επώδυνη ανατομή των οστών και των μαλακών ιστών, αλλά και για τη μείωση της απώλειας αίματος.
Ας στρέψουμε την προσοχή μας στην οδοντιατρική. Το υπερηχογράφημα αφαιρεί τις οδοντικές πέτρες λιγότερο επώδυνα και όλοι οι άλλοι χειρισμοί του γιατρού είναι πολύ πιο εύκολο να αντέξουν. Επιπλέον, στο τραύμα και στην ορθοπεδική πρακτική, ο υπέρηχος χρησιμοποιείται για την αποκατάσταση της ακεραιότητας των σπασμένων οστών. Κατά τη διάρκεια τέτοιων επεμβάσεων, ο χώρος μεταξύ των θραυσμάτων οστών γεμίζει με μια ειδική ένωση που αποτελείται από τσιπ οστών και ένα ειδικό υγρό πλαστικό και στη συνέχεια εκτίθεται σε υπερήχους, λόγω του οποίου όλα τα εξαρτήματα συνδέονται σταθερά. Όσοι έχουν υποβληθεί σε χειρουργικές επεμβάσεις κατά τις οποίες χρησιμοποιήθηκε υπερηχογράφημα αφήνουν διαφορετικές κριτικές - θετικές και αρνητικές. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχουν ακόμη περισσότεροι ικανοποιημένοι ασθενείς!
