Використання ультразвуку в медицині

Ультразвук — це механічні коливання з частотою, більшою від 20 кГц. Ультразвукові коливання поширюються у середовищі зі сталою швидкістю, рівною швидкості звуку, в основі генерації ультразвуку лежить зворотний п'єзоелектричний ефект і магнітострикція.

Під час проходження через речовину інтенсивність ультразвуку зменшується за експоненціальним законом. Ультразвук поглинається повітрям та іншими газами, менше рідинами і ще менше твердими тілами. Під час введення ультразвуку в тканину повітряний прошарок між датчиком (випромінювачем) і тілом людини необхідно заповнити водою або кремом для зменшення поглинання. Завдяки короткій довжині хвилі ультразвук можна сконцентрувати на малій ділянці.

У рідинах під впливом ультразвуку виникають змінні напруження стиску та розтягу. Вони перевищують сили, що втримують молекули, і тоді між частинками утворюються мікроскопічні порожнини (кавітація). Ці порожнини швидко закриваються, внаслідок чого виділяється значна енергія, яка може викликати іонізацію і дисоціацію оточуючих молекул. Поширюючись у середовищі, ультразвукова хвиля чинить тиск на перешкоди. У результаті тиску ультразвукової хвилі в рідині на межі рідина—повітря утворюється "фонтан".

У середовищі енергія хвилі втрачається внаслідок абсорбції. Ця енергія перетворюється в тепло і тому на межі двох різних середовищ (м'язи—кістки та ін.) виникає локальний нагрів.

Частинки (наприклад, мікроорганізми), що знаходяться в опроміненому ультразвуком середовищі, здійснюватимуть коливання разом з коливанням ультразвуку. Амплітуда коливань залежить від частоти та інтенсивності ультразвуку, а також від розмірів частинок і в'язкості середовища. За певних умов ці коливання зумовлюють рівномірний розподіл частинок у середовищі, або їх розпад. Цей ефект можна використати у фармації для виготовлення суспензій, емульсій, аерозолей і т.п.

Під впливом ультразвуку, подібно до дії іонізуючого випромінювання у водних розчинах, відбувається радіоліз води. Енергія, необхідна для цього, виділяється під час кавітації.

Ультразвук має бактерицидну дію, що використовують для стерилізації ліків та продуктів харчування, для виділення білків, бактерій.

При великих інтенсивностях переважає руйнівна дія ультразвуку, а при малих — поліпшується обмін речовин. Це пояснюється здатністю ультразвуку збільшувати інтенсивність дифузії, проникність клітинних мембран.

У терапії переважно використовують ультразвук з частотою 800 кГц та інтенсивністю 1 Вт/см². Для забезпечення контакту ділянку тіла змащують маслом і головним електродом здійснюють обертовий рух. Під час лікування головну роль відіграють теплова та механічна дія (мікромасаж).

Метод ультразвукової діагностики ґрунтується на тому, що здатність тканин поглинати ультразвук залежить від їхньої густини: здорова та хвора тканини мають різну густину, а тому й різну здатність до поглинання. У процесі діагностики, наприклад пухлини головного мозку, одну сторону черепа опромінюють ультразвуком, а на його протилежній стороні знаходиться приймач, який фіксує вихідне випромінювання. Переміщуючи джерело і приймач, на фотопапері отримаємо тіньове зображення пухлини, стороннього тіла. За такою методикою можна також досліджувати і серце. Інтенсивність ультразвуку, що проходить через серце, зазнає зміни у відповідності зі скороченнями серця, внаслідок зміни товщини шару, що поглинає ультразвук. Так реєструють ультразвукову кардіограму.

У травматології та ортопедії використовують ультразвукову "пилу" — це "ніж" з насічкою, якому надають коливань з частотою від 20 до 50 кГц. Зубці насічки рухаються з розмахом 80 мкм, вибираючи мікрочас­тинки кістки, і виконують філігранну, м'яку роботу.

Ультразвуком можна сполучати (зварювати) зламані кості під час операцій, скріплювати їх з пересадженою кістковою тканиною. Розтин займає в середньому 4 хвилини, зварювання — 1,5-2 хвилини.

Інфразвук, вібрації

Звуки з частотою, меншою від 16 Гц, називають інфразвуками. Інфразвук негативно діє на організм людини. У межах частот 2—15 Гц з інтенсивністю 105 дБ на 10% сповільнюється зорова рецепція. Інфразвук викликає головний біль, підвищує втомлюваність, знижує працездатність. Інфразвук з частотою 7 Гц негативно діє на серце.

З'ясувалося, що частота зміни біопотенціалів у слуховому нерві збігається з частотою діючого звуку. Це означає, що будь-яке коливання, що надходить в органи слуху, потрапляє і в мозок. Низькочастотні сигнали, ймовірно, змінюють нормальні ритми мозку і тому пригнічують психіку.

Вібрації — це коливання твердого тіла біля положення рівноваги, їх характеризують частотою й амплітудою. Коливання, які поширюються у тілі, зумовлюють у тканинах організму змінні напруження (стиск, розтяг, зсув, прогин, кручення). Внаслідок тривалої дії вібрацій порушуються фізіологічні функції, виникає "вібраційна хвороба" — судинні порушення (капілярний кровообіг), функціональні порушення центральної нервової системи, кісткові пошкодження, порушення функцій внутрішніх органів тощо.

Вивчаючи реакцію організму на силову дію, тіло людини розглядають як механічну систему, в якій маса ототожнюється з масою працюючих структур, а пружність — з пружністю м'язів (тіло масою m підвішене на пружині з коефіцієнтом пружності k). Якщо коливна система ізольована, то на неї діють лише внутрішні сили (сила інерції та пружна сила), тобто;

k х + m а=0, 1.6

де k х — пружна сила, а ma — сила інерції. Підставивши х і а будемо мати:

 

х= Asinωt, a = x = -ω²Asinωt,

 

kAsinωt-mω²Asinωt= 0,  1.7

де k = mω², а

Це свідчить про те, що частота коливань системи, виведеної з рівноваги, залежить від k і m. Таку частоту називають власною. Будь-яка складна система (тіло людини) має багато власних частот і за певних умов (рівність частот власних і вимушених коливань — резонанс) деякі з цих частот можуть чинити істотну біологічну дію.

Якщо на коливну систему діє зовнішня періодична сила F = F_A sin ω t, то коливання будуть здійснюватись з частотою цієї сили. Якщо частота зовнішньої сили зрівнюється з частотою власних коливань системи, то настає резонанс (амплітуда різко зростає, виникає небезпека для міцності системи). Наприклад, резонансні коливання голови при частотах 8—27 Гц можуть стати причиною зменшення гостроти зору внаслідок зміщення зображення об'єкта відносно сітківки ока. При дослідженні вібрацій, зумовлених зовнішніми механічними збуреннями, тіло людини розглядають як систему механічних елементів, які мають інерційні, пружні та демпферуючі властивості. Вид і характер рівнянь, які описують коливальний рух тіла людини та окремих його частин, виводяться з основних фізичних законів коливальних явищ. Створення ефективних систем для віброізоляції людини вимагає врахування динамічних характеристик її тіла у цілому, а іноді й окремих його сегментів. Основні резонансні частоти тіла людини є меншими від 20 Гц. Відповідно слід підбирати і власну частоту системи віброізоляцій, щоб статичне зміщення людини було невеликим (наприклад, сидіння оператора).

Для людей різних спеціальностей, де спостерігається дія вібрацій, необхідно також враховувати параметри, що характеризують функціональний стан людини і характер її механічних та фізіологічних реакцій на вібраційне збудження.

Запам'ятайте

1. Звук — коливання частинок пружного середовища, які поширюються у виді хвиль і сприймаються органами слуху людини (частота у межах 16 Гц — 20 кГц).

2. Фізичними (об'єктивними) характеристиками звуку є інтенсивність (сила), частота, акустичний спектр, звуковий тиск.

3. Характеристиками слухового відчуття (суб’єктивними) є гучність, висота і тембр. Поріг чутності (при V = 1 кГц) чисельно дорівнює I₀ = 10^-12 Вт/м², поріг больового відчуття —     I₆ = 10 Вт/м²,

4. Закон Вебера-Фехнера. Якщо сила дії подразника зростає у геометричній прогресії, то сприйняття звуку — в арифметичній:

 

5. Порогова тональна аудіометрія — це метод визначення гостроти слуху.

6. Аудіограма — графік, який відображає поріг чутності при різних частотах. Втрата слуху — це різниця рівнів гучності в децибелах між нормою та патологією.

7. Звукові методи діагностики — це аускультація, перкусія, фоно­кардіографія.

8. Ультразвук — це коливання з частотою, більшою від 20 кГц.

9. Дія ультразвуку на біологічні об'єкти — механічна, хімічна, теплова. У медицині використовують ультразвук з інтенсивністю до 3 Вт/см². Ультразвук малої інтенсивності використовують для діагностики (ехо-метод). Цей метод ґрунтується на відбиванні ультразвукових хвиль від неоднорідностей у середовищі.

Ультразвук середньої інтенсивності використовують у фізіотерапії, а великої — в хірургії для руйнування пухлин, розтину та сполучення кісткової тканини.