Излучатели и приемники ультразвука

Излучатели и приемники ультразвука

Электромеханические излучатели и приемники УЗ используют явление пьезоэлектрического эффекта, сущность которого поясняет рис. 5.1.

Ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами обладают такие кристаллические диэлектрики, как кварц, сегнетова соль и др.

Излучатели ультразвука

Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис. 5.2):

Рис. 5.1. а - прямой пьезоэлектрический эффект: сжатие и растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов соответствующего знака;

б - обратный пьезоэлектрический эффект: в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается

Рис. 5.2. Ультразвуковой излучатель

1 - пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

2 - электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

3 - генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность

Рис. 5.3. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа (частота ультразвука 8 МГц)

потока энергии пропорциональна квадрату частоты (см. формулу 2.6). Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования. Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10^-14 Вт/см² до 0,1 Вт/см².

Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те, которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой. На рисунке 5.3 показана фокусировка ультразвука линзой из плексигласа. Для получения очень больших интенсивностей УЗ используют более сложные методы фокусировки. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титанита бария, на частоте 0,5 МГц удается получать в воде интенсивности ультразвука до 10⁵ Вт/см².

Приемники ультразвука

Электромеханические УЗ-приемники (рис. 5.4) используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под действием УЗ-волны возникают колебания кристаллической пластины (1),

Рис. 5.4. Ультразвуковой приемник

в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

Биофизическое действие УЗ

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физикохимических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде.

Разрушение микроорганизмов

Облучение ультразвуком с интенсивностью, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов.

УЗ-терапия

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.

ФОНОФОРЕЗ - введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, в отличие от электрического поля, УЗ-поле перемещает не только ионы, но и незаряженные частицы. Под действием УЗ увеличивается проницаемость клеточных мембран, что способствует проникновению лекарственных веществ в клетку, тогда как при электрофорезе лекарственные вещества концентрируются в основном между клетками.

АУТОГЕМОТЕРАПИЯ - внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура оказывается более эффективной, если взятую кровь перед вливанием облучить УЗ.

УЗ-облучение повышает чувствительность клетки к воздействию химических веществ. Это позволяет создавать менее вредные

вакцины, так как при их изготовлении можно использовать химические реактивы меньшей концентрации.

Предварительное воздействие УЗ усиливает действие γ- и СВЧоблучения на опухоли.

В фармацевтической промышленности ультразвук применяется для получения эмульсий и аэрозолей некоторых лекарственных веществ.

В физиотерапии УЗ используется для локального воздействия, осуществляемого с помощью соответствующего излучателя, контактно наложенного через мазевую основу на определенную область тела.

УЗ-хирургия

УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая - с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.

Разрушение опухолей. Несколько излучателей, укрепленных на теле пациента, испускают пучки УЗ, фокусирующиеся на опухоли. Интенсивность каждого пучка недостаточна для повреждения здоровой ткани, но в том месте, где пучки сходятся, интенсивность возрастает и опухоль разрушается под действием кавитации и тепла.

В урологии с помощью механического действия УЗ дробят камни в мочевых путях и этим спасают больных от операций.

Сваривание мягких тканей. Если сложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения образуется сварной шов.

Сваривание костей (ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), который под действием УЗ быстро полимеризуется. После облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.

Наложение УЗ-колебаний на хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает кровоостанавливающее и стерилизующее действия. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20-50 кГц составляет 10-50 мкм. УЗ-скальпели позволяют проводить операции в дыхательных органах без вскрытия грудной клетки,

операции в пищеводе и на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ-скальпель в вену, можно разрушить холестериновые утолщения в сосуде.

Стерилизация. Губительное действие УЗ на микроорганизмы используется для стерилизации хирургических инструментов.

В ряде случаев ультразвук используют в сочетании с другими физическими воздействиями, например с криогенным, при хирургическом лечении гемангиом и рубцов.

УЗ-диагностика

Ультразвуковая диагностика - совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука. Физической основой УЗ-диагностики является зависимость параметров распространения звука в биологических тканях (скорость звука, коэффициент затухания, волновое сопротивление) от вида ткани и ее состояния. УЗ-методы позволяют осуществить визуализацию внутренних структур организма, а также исследовать движение биологических объектов внутри организма. Основная особенность УЗ-диагностики - возможность получить информацию о мягких тканях, незначительно различающихся по плотности или упругости. УЗ-метод исследования обладает высокой чувствительностью, может использоваться для обнаружения образований, не выявляемых с помощью рентгена, не требует применения контрастных веществ, безболезнен и не имеет противопоказаний.

Для диагностических целей используется УЗ частотой от 0,8 до 15 МГц. Низкие частоты применяются при исследовании глубоко расположенных объектов или при исследовании, проводимом через костную ткань, высокие - для визуализации объектов, близко расположенных к поверхности тела, для диагностики в офтальмологии, при исследовании поверхностно расположенных сосудов.

Наибольшее распространение в УЗ-диагностике получили эхолокационные методы, основанные на отражении или рассеянии импульсных УЗ-сигналов. В зависимости от способа получения и характера представления информации приборы для УЗ-диагностики разделяют на 3 группы: одномерные приборы с индикацией типа А; одномерные приборы с индикацией типа M; двумерные приборы с индикацией типа В.

При УЗ-диагностике с помощью прибора типа А излучатель, испускающий короткие (длительностью порядка 10^-6 с) УЗ-импульсы, прикладывается к исследуемому участку тела через контактное вещество. В паузах между импульсами прибор принимает импульсы, отраженные от различных неоднородностей в тканях. После усиления эти импульсы наблюдаются на экране электроннолучевой трубки в виде отклонений луча от горизонтальной линии. Полная картина отраженных импульсов называется одномерной эхограммой типа А. На рисунке 5.8 показана эхограмма, полученная при эхоскопии глаза.

Рис. 5.8. Эхоскопия глаза по А-методу:

1 - эхосигнал от передней поверхности роговицы; 2, 3 - эхосигналы от передней и задней поверхностей хрусталика; 4 - эхосигнал от сетчатки и структур заднего полюса глазного яблока

Эхограммы тканей различного типа отличаются друг от друга количеством импульсов и их амплитудой. Анализ эхограммы типа А во многих случаях позволяет получить дополнительные сведения о состоянии, глубине залегания и протяженности патологического участка.

Одномерные приборы с индикацией типа А применяются в неврологии, нейрохирургии, онкологии, акушерстве, офтальмологии и др. областях медицины.

В приборах с индикацией типа M отраженные импульсы после усиления подаются на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки и представляются в виде черточек, яркость которых связана с амплитудой импульса, а ширина - с его длительностью. Развертка этих черточек во времени дает картину отдельных отражающих структур. Этот тип индикации широко используется в кардиографии. УЗ-кардиограмма может быть зафиксирована при помощи электронно-лучевой трубки с памятью или на бумажной ленте самописца. Этим методом осуществляется запись движений элементов сердца, что позволяет определять стеноз митрального клапана, врожденные пороки сердца и др.

При использовании методов регистрации типов А и M преобразователь находится в фиксированном положении на теле пациента.

В случае индикации типа В преобразователь перемещается (осуществляет сканирование) вдоль поверхности тела, и на экране электронно-лучевой трубки фиксируется двумерная эхограмма, воспроизводящая поперечное сечение исследуемой области тела.

Разновидностью метода В является мультисканирование, при котором механическое перемещение датчика заменяется последовательным электрическим переключением ряда элементов, расположенных на одной линии. Мультисканирование позволяет наблюдать исследуемые сечения практически в реальном масштабе времени. Другой разновидностью метода В является секторное сканирование, при котором отсутствует движение эхозонда, а изменяется угол введения УЗ-луча.

УЗ-приборы с индикацией типа В используются в онкологии, акушерстве и гинекологии, урологии, отоларингологии, офтальмологии и др. Модификации приборов типа В с мультисканированием и секторным сканированием используют в кардиологии.

Все эхолокационные методы УЗ-диагностики позволяют так или иначе регистрировать внутри организма границы областей с различными волновыми сопротивлениями.

Новый метод УЗ-диагностики - реконструктивная (или вычислительная) томография - дает пространственное распределение параметров распространения звука: коэффициента затухания (аттенюационная модификация метода) или скорости звука (рефракционная модификация). В этом методе исследуемое сечение объекта прозвучивается многократно в различных направлениях. Информация о координатах прозвучивания и об ответных сигналах обрабатывается на ЭВМ, в результате чего на дисплее отображается реконструированная томограмма.

В последнее время начал внедряться метод эластометрии для исследования тканей печени как в норме, так и при различных стадиях микроза. Суть метода такова. Датчик устанавливается перпендикулярно поверхности тела. При помощи вибратора, встроенного в датчик, создается низкочастотная звуковая механическая волна (ν = 50 Гц, А = 1 мм), скорость распространения которой по подлежащим тканям печени оценивается при помощи ультразвука с частотой ν = 3,5 МГц (по сути, осуществляется эхолокация). С использованием

модуль Е (эластичность) ткани. Для пациента проводится серия измерений (не менее 10) в межреберных промежутках в проекции положения печени. Анализ всех данных происходит автоматически, аппарат выдает количественную оценку эластичности (плотности), которая представляется как в числовом, так и в цветовом виде.

Для получения информации о движущихся структурах организма используются методы и приборы, работа которых основана на эффекте Доплера. Такие приборы содержат, как правило, два пьезоэлемента: излучатель УЗ, работающий в непрерывном режиме, и приемник отраженных сигналов. Измеряя доплеровский сдвиг частоты УЗ-волны, отраженной от подвижного объекта (например, от стенки сосуда), определяют скорость движения отражающего объекта (см. формулу 2.9). В наиболее совершенных приборах этого типа применяется импульсно-доплеровский (когерентный) способ локации, позволяющий выделить сигнал из определенной точки пространства.

Приборы с использованием эффекта Доплера применяются для диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы (определение

движения участков сердца и стенок сосудов), в акушерстве (исследование сердцебиения плода), для исследования кровотока и др.

Осуществляется исследование органов через пищевод, с которым они граничат.

Инфразвук и его источники

Инфразвук - упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 16-20 Гц. Такое определение условно, поскольку при достаточной интенсивности слуховое восприятие возникает и на частотах в единицы Гц, хотя при этом исчезает тональный характер ощущения и делаются различимыми лишь отдельные циклы колебаний. Нижняя частотная граница инфразвука неопределенна; в настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц.

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной средах, а также в земной коре (сейсмические волны). Основная особенность инфразвука, обусловленная его низкой частотой, - малое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько децибел. Известно, что звуки

извержений вулканов и атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара. Из-за большой длины волны мало и рассеяние инфразвука. В естественных средах заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты - холмы, горы, высокие здания.

Естественными источниками инфразвука являются метеорологические, сейсмические и вулканические явления. Инфразвук генерируется атмосферными и океаническими турбулентными флуктуациями давления, ветром, морскими волнами (в том числе и приливными), водопадами, землетрясениями, обвалами.

Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолетов, удары копров, работа реактивных двигателей и др. Инфразвук содержится в шуме двигателей и технологического оборудования. Вибрации зданий, создаваемые производственными и бытовыми возбудителями, как правило, содержат инфразвуковые компоненты. Существенный вклад в инфразвуковое загрязнение среды дают транспортные шумы. Например, легковые автомобили на скорости 100 км/ч создают инфразвук с уровнем интенсивности до 100 дБ. В моторном отделении крупных судов зарегистрированы инфразвуковые колебания, создаваемые работающими двигателями, с частотой 7-13 Гц и уровнем интенсивности 115 дБ. На верхних этажах высотных зданий, особенно при сильном ветре, уровень интенсивности инфразвука достигает

100 дБ.

Инфразвук почти невозможно изолировать - на низких частотах все звукопоглощающие материалы практически полностью теряют свою эффективность.

Основные понятия и формулы. Таблицы

Таблица 5.1. Коэффициент поглощения и глубина полупоглощения на частоте 1 МГц

Таблица 5.2. Коэффициент отражения на границах различных тканей

5.9. Задачи

1. Отражение волн от мелких неоднородностей становится заметным, когда их размеры превосходят длину волны. Оценить минимальный размер d почечного камня, который может быть обнаружен методом УЗ-диагностики при частоте ν = 5 МГц. Скорость УЗ-волн v = 1500 м/с.

Решение

Найдем длину волны: λ = v/ν = 1500/(5*10⁶) = 0,0003 м = 0,3 мм. d > λ.

Ответ: d > 0,3 мм.

2. В некоторых физиотерапевтических процедурах используется ультразвук частоты ν = 800 кГц и интенсивности I = 1 Вт/см². Найти амплитуду колебания молекул мягких тканей.

Решение

Интенсивность механических волн определяется формулой (2.6)

Плотность мягких тканей ρ «1000 кг/м³.

круговая частота ω = 2πν ≈ 2х3,14х800х10³ ≈ 5х10⁶ с^-1;

скорость ультразвука в мягких тканях ν ≈ 1500 м/с.

Необходим перевод интенсивности в СИ: I = 1 Вт/см² = 10⁴ Вт/м².

Подставив численные значения в последнюю формулу, найдем:

Столь малое смещение молекул при прохождении ультразвука указывает на то, что его действие проявляется на клеточном уровне. Ответ: А = 0,023 мкм.

3. Стальные детали проверяют на качество ультразвуковым дефектоскопом. На какой глубине h в детали обнаружена трещина и какова толщина d детали, если после излучения ультразвукового сигнала были получены два отраженных сигнала через 0,1 мс и 0,2 мс? Скорость распространения ультразвуковой волны в стали равна v = 5200 м/с.

Решение

2h = tv →h = tv/2. Ответ: h = 26 см; d = 52 см.

 

Излучатели и приемники ультразвука

Электромеханические излучатели и приемники УЗ используют явление пьезоэлектрического эффекта, сущность которого поясняет рис. 5.1.

Ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами обладают такие кристаллические диэлектрики, как кварц, сегнетова соль и др.

Излучатели ультразвука

Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис. 5.2):

Рис. 5.1. а - прямой пьезоэлектрический эффект: сжатие и растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов соответствующего знака;

б - обратный пьезоэлектрический эффект: в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается

Рис. 5.2. Ультразвуковой излучатель

1 - пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

2 - электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

3 - генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность

Рис. 5.3. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа (частота ультразвука 8 МГц)

потока энергии пропорциональна квадрату частоты (см. формулу 2.6). Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования. Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10^-14 Вт/см² до 0,1 Вт/см².

Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те, которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой. На рисунке 5.3 показана фокусировка ультразвука линзой из плексигласа. Для получения очень больших интенсивностей УЗ используют более сложные методы фокусировки. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титанита бария, на частоте 0,5 МГц удается получать в воде интенсивности ультразвука до 10⁵ Вт/см².

Приемники ультразвука

Электромеханические УЗ-приемники (рис. 5.4) используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под действием УЗ-волны возникают колебания кристаллической пластины (1),

Рис. 5.4. Ультразвуковой приемник

в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.