Каталог статей и схем


И.И.Гайдамака. Физическая характеристика и механизм действия ультразвука
От модератора. Ранее мы упоминали об ультразвуке в связи с описанием методов образования медицинских аэрозолей. Широкое применение приобретают генераторы ультразвука в быту. Поэтому не случаен интерес к изучению физических характеристик этого вида энергии, механизма действия его на биологические объекты, организм человека и лечебных возможностей для применения в медицине. Несмотря на относительную сложность восприятия биологических и медицинских понятий и терминов в данной статье радиолюбителями, как технически образованными людьми, нам кажется интересной эта тема как с точки зрения физики, так и для общего развития. Есть и своя «изюминка» - в последующей публикации под № 1.6 будет изложен оригинальный запатентованный способ лечения дискинезий желчного пузыря, развитию которых способствует статичное положение радиолюбителя у трансивера - сидя. Плюс упоминавшееся пиво…

1.5. И.И.Гайдамака. Физическая характеристика и механизм действия ультразвука

Ультразвук как вид энергии, благодаря новым технологиям, все больше вторгается в нашу жизнь.
Механические колебания среды (твёрдой, жидкой, газообразной), влекущие за собой возникновение в ней последовательно чередующихся участков сжатия и разрежения, называют звуком. В соответствии с частотой звуковые волны принято разделять на диапазоны: инфразвук - до 16 Гц; слышимый звук - 16-20000 Гц; ультразвук - 20 кГц - 1000 МГц и гиперзвук - выше 109 Гц. Возможность получения ультразвуковых колебаний специальными аппаратами основана на открытии магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.

В генераторах ультразвука чаще используется пьезоэлектрический эффект. Ряд кристаллов (кварц, сегнетовая соль, турмалин, титанат бария и др.) обладают свойствами менять свои размеры в электрическом поле. Если использовать тонкие пластинки из указанных материалов в форме диска, стороны которого покрыты слоем металла, а к торцам подвести переменное напряжение электрического тока, то под влиянием изменения полярности и напряжения тока пластинка меняет свою форму, утолщаясь при положительном и уменьшаясь при отрицательном заряде. При изменении режима прохождения электрического тока возможно получение аналогичных режимов генерируемых механических колебаний среды от непрерывного до импульсного. Благодаря упругим связям между частицами среды, повышенное давление в одном месте передаётся на соседние частицы, которые в свою очередь воздействуют на следующие и т.д.

Таким образом, происходит перемещение звукового давления в упругой среде, а образующиеся в ней участки сжатия и разрежения, чередуясь между собой, распространяются в виде волн. В звуковых и ультразвуковых волнах колебания частиц происходят в том же направлении, что и распространение волны. В твёрдых веществах могут образовываться, кроме продольных, и поперечные волны. Расстояние между двумя ближайшими точками волны, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны. Между частотой ультразвуковых колебаний (f) и длиной волны (λ) существует зависимость
λ=c/ f,
где с - скорость распространения волны в данной среде. Скорость распространения зависит от упругих свойств и плотности среды: в жидких она выше, чем в газах, а в твёрдых телах выше, чем в жидкостях.

Важной физической характеристикой звуковых колебаний является амплиуда волны или амплитуда смещения, - максимальное смещение колеблющихся частиц среды от положения равновесия. Мощность звука при ОДНОЙ и той же частоте зависит от амплитуды колебаний звучащего тела. Тело, совершающее колебания с большой амплитудой, будет вызывать более резкое изменение давления в среде, а звук будет сильнее. Происходящие в звуковой волне колебательные движения частиц вещества характеризуются очень малой амплитудой смещения и чрезвычайно большим ускорением. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний будет совпадать с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением тканей. Оно выражается отношением звукового давления к объёмной скорости ультразвуковых волн. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебания её частиц. Удельное акустическое сопротивление находится как произведение плотности среды на скорость распространения в ней ультразвуковых волн. Измеряется акустическое сопротивление (СИ) в Пас/м или (СГС) дин. с/см3; 1 Пас/м = 10"' дин-с/см3. Часто его выражают в г/с-см2, причем 1 г/с-см2 = 1 дин. с/см3. Акустическое сопротивление среды определяет ее способность поглощать, преломлять или отражать ультразвуковые волны. На расстоянии в половину длины волны амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница в давлении в двух точках, отстоящих друг от друга на половине пути распространения волны, равна двойному акустическому давлению. Звуковое давление в единицах СИ - Паскаль (Па, равный давлению в 1 Ньютон на м2). Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растет в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения).

Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак. Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Ускорение пропорционально квадрату частоты и амплитуде смещения. Биофизическое действие ультразвука тесно связано с переменным акустическим давлением и, особенно с силами, развивающимися вследствие больших ускорений частиц в озвучиваемых тканях.

Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное, но и постоянное давление в одном направлении. Если это препятствие размерами меньше или соизмеримо с длиной волны ультразвука, волна огибает (дифракция) его.
Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разрежения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное давление носит название давления излучения (радиационное).

Ультразвуковая энергия есть сумма кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды. Как и всякая другая энергия, она измеряется в джоулях (СИ) или эргах (СГС); 1 Дж = 107 эрг. Количество энергии, переносимое за 1 с через площадку 1 см2, перпендикулярную направлению распространения волны, называется интенсивностью ультразвуковых колебаний. Интенсивность УЗ связана с амплитудой колебаний, величиной переменного акустического давления и колебательной скоростью частиц среды. Измеряется интенсивность в Вт/м2/с (СИ) и эрг/сем2 (СГС); 1 Вт/м2/е = 103 эрг/с.см2. В медицине выделяют три диапазона интенсивности УЗ: 0,05-0,6 Вт/см2/с - низкий уровень; 0,6-1,2 Вт/см2/с - средний уровень; свыше 1,2 Вт/см2/с - высокий.
Для определения мощности акустического излучения любого излучателя ультразвука достаточно интенсивность (Вт/см2/с) умножить на площадь его рабочей поверхности. В процессе распространения плоской волны в среде интенсивность уменьшается прямо пропорционально квадрату расстояния от излучателя. Это явление называется затуханием и связано с рассеянием и поглощением ультразвука. Превращение ультразвуковой энергии в теплоту (классическое поглощение), обусловленное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) и теплопроводностью среды, пропорционально квадрату частоты колебаний, поэтому «высокочастотные» распространяются в средах на меньшее расстояние, чем «низкочастотные».

Для ультразвуковых волн характерны явления, наблюдаемые при распространении света: отражение, дифракция, преломление, интерференция. При озвучивании гетерогенных биологических тканей наблюдаются эффекты преломления и отражения на границах сред с различным акустическим сопротивлением. В то же время, поскольку акустическое сопротивление биологических тканей более чем в 3000 раз превышает сопротивление воздуха, граница этих сред является преградой, через которую ультразвук не проходит, а отражается. Отражение его наблюдается на границах мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов и пр. При одновременном движении в тканях нескольких волн в определённой точке среды может происходить их интерференция. Если они пересекаются, то в определённых точках биологической среды можно наблюдать усиление или ослабление механических колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если они достигают определённых участков среды в одинаковой фазе происходит увеличение амплитуды ультразвуковых колебаний, а в противофазе - уменьшение.

Интерференция играет важную роль при оценке возникающих явлений в тканях. На границах кость - мягкие ткани явление интерференции приводит к формированию стоячих волн, имеющих двойной запас энергии и вызывающих в зоне их образования повышенное теплообразование.
Утилизация ультраакустической энергии и её рассеяние увеличиваются с ростом гетерогенности ткани. Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвука в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Установлено, что две трети энергии УЗ затухает на молекулярном уровне и одна треть - на уровне микроскопических тканевых структур. Интенсивность УЗ в однородной среде уменьшается по экспоненциальному закону. Ориентировочно этот процесс характеризуют величиной полупоглощающего слоя, которая показывает, на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается.

Упругие колебания ультразвукового диапазона создают высокий градиент звукового давления и вызывают значительные сдвиговые напряжения в разных биологических тканях. Такие смещения способны изменить проводимость strech-каналов мембран различных клеток и вызвать микропотоки метаболитов в цитозоле и органоидах, осуществляя микромассаж. В то же время повышается проницаемость плазмолеммы отдельных клеток и гистогематических барьеров. Происходящая при этом активация мембранных энзимов и деполимеризации гиалуроновой кислоты, способствуют уменьшению и рассасыванию отеков, снижению компрессии ноцицепторных нервных проводников в зоне воздействия. Возникают сложные физико-химические реакции в тканях, уменьшается вязкость цитозоля, переход ионов и биологически активных соединений в свободное состояние. Ультразвук повышает проводимость афферентных нервных проводников активирует ретикулярную формацию, гипоталамо-гипофизарную, лимбическую и высшие центры парасимпатической нервной системы. Происходящее при этом восстановление метаболизма катехоламинов усиливает адаптационно-трофические процессы в организме пациента. В последующем мобилизируются механизмы неспецифической иммунологической резистентности организма за счет повышения связывания биологически активных веществ (кининов, гистамина) белками крови и расщепления их ферментами. Активация ультразвуком лизосомальных ферментов макрофагов приводит к очищению воспалительного очага от клеточного детрита и патогенной микрофлоры в экссудативную стадию.

Наряду с этим, ультразвуковые волны ускоряют синтез коллагена фибробластами и образование грануляционной ткани в пролиферативную и репаративную стадии воспаления. Происходящее под действием ультразвуковых колебаний повышение энзиматической активности клеток и усиление их метаболизма стимулирует репаративную рагенерацию тканей, ускоряет заживление ран и трофических язв. Вместе с тем, ультразвуковое озвучивание костей в пролиферативную стадию воспаления приводит к усилению роста хрящевой ткани и замедлению дифференцировки остеобластов. Перечисленные механические и фи¬зико-химические эффекты, возникающие в поле ультразвуковых волн, определяют нетепловое действие ультразвука.

При увеличении интенсивности ультразвука на границе неоднородных биологических сред выделяется значительное количество тепла, особенно на границах раздела тканей с различным акустическим сопротивлением (поверхностные слои кожи, фасции, связки). Слабое прогревание соединительной ткани повышает ее эластичность и приводит к увеличению амплитуды движений суставов в случае их контрактуры, уменьшению мышечного спазма, анальгезии. Наряду с этим, увеличивается объемный кровоток, повышается оксигенация и интенсивность метаболизма, что существенно ускоряет репаративную реге-нерацию в очаге воспаления.

Ультразвуковые колебания повреждают клеточные оболочки микроорганизмов. Чувствительность к ультразвуку различных бактерий неодинакова - максимальная - у лептоспир, а наиболее устойчивы к нему стафилококки.

В детских учреждениях и домашних условиях можно использовать как низкоинтенсивное ультразвуковое воздействие, так и лекарственный ультрафонофорез. Это сочетанное влияние на организм ультразвуковых колебаний и вводимых с их помощью лекарственных веществ, которые, приобретая большую подвижность и реакционную способность во время процедуры проникать вглубь биологических тканей, оказывая лечебный эффект. Однако для лекарственного ультрафонофореза, в указанных условиях, можно использовать лекарственные формы растительного происхождения.

Показания. Воспалительные и дегенеративно-дистрофические заболевания суставов с выраженным болевым синдромом (артрит, артроз, ревматоидный артрит, периартрит, эпикондилит), последствия травм и повреждений опорно-двигательного аппарата (контрактура, тендовагинит), воспалительные заболевания периферических нервов (невриты и невралгии, радикулиты), заболевания органов дыхания (бронхит, плеврит, туберкулез легких), пищеварения (язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, дискинезия желчевыводящих путей), мочеполовой системы (пиелонефрит, сальпингоофорит, аднексит), заболевания ЛОР-органов, глаз, полости рта, склеродермия, трофичесие язвы.

Противопоказания: вегетососудистые дисфункции, тромбофлебит, злокачественные новообразования (2, 3).

Литература.

1. Лечебно-профилактические технологии для сохранения и восстановления здоровья детей./Старокожко Л.Е. с соавт.//Ставропольская государственная медицинская Академия, 2007. - С. 199-207.
2. Лебедев, В.А. Физиотерапевтический рецепт. Ставрополь - Ессентуки: «Издательский дом»», 2005. - 759 с.
3. Пономаренко, Г.Н. Биофизические основы физиотерапии. СПб.: «ВмедА», 2003. - 152 с.

От модератора: следующая публикация И.И.Гайдамаки - «Аппаратура нового поколения и технологии применения ультразвука».

Категория: Теоретические статьи. | Добавил: ra0ccn (29.09.2008) | Автор: И.Гайдамака E
Просмотров: 8220 | Комментарии: 3 | Рейтинг: 5.0/2
Всего комментариев: 3
3   [Материал]
"Я очень рад, что, наконец-то, размочили медиков и других посетителей сайта. Лично мое мнение - сайт стал мозаичным, такого в инете НЕТ. Я был в Москве, Саратове, Самаре, Липецке, Воронеже, Ельце, Волгограде, Ростове, Майкопе…
Сайт известен в стране как сайт для людей. Не похвала. Материалов навалом. Неприятность одна, сгорел блок питания трансивера. Это всё от мобильности (шутка) Александр из Липецка".

Один из отзывов об СМР.

"Опубликуйте несколько простых схем радиостанций, приемников укв , измерительную
апаратуру, апаратуру для настройки радио узлов и т. д."

Чужого нам не надо - друг у друга переписывают множество сайтов и страниц ... Имеем "своих" авторов и "свои" схемы, и множество ссылок на наш контент в инете. Мы стараемся быть непохожими, и не без успеха - более миллиона посещений сайта мы давно прошли.

Администрация СМР

2   [Материал]
Уважаемый Анатолий!
Спасибо за оценку и критику.
Если я не ошибаюсь, то Вы пишете обо всем СМР, а не о статье, в «Комментариях» которой Вы привели свое мнение. Тогда целесообразно, на мой взгляд, перейти на страницу «Форум», где дублирован Ваш комментарий и открыта новая тема по Вашим вопросам. Там и аргументированные мнения администрации сайта уже опубликованы.

Если все же такую оценку и мнение вынудила дать Вас данная статья И.И.Гайдамаки, то я не встречал на страницах СМИ самодельные (радиолюбительские) диагностические или лечебные УЗВ приборы. Если Вы о них знаете - поделитесь, пожалуйста, с нами и другими радиолюбителями, мы с удовольствием опубликуем еще одну статью, уже со схемой…

Смысл же публикации таких статей (в общем плане) - в популяризации радиоэлектроники в медицине (среди медиков) и наоборот, хоть каких то медицинских (может самых простейших) знаний среди радиолюбителей. Эта цель среди других была заявлена при создании нашего СМР (см. на стр. «Информация о сайте»).

Насчет интереса для «профи». С точки зрения специалиста (а я долгое время занимался преформированными факторами лечения в физиотерапии) мне было интересно почитать о современной «физике» данного процесса, транслоцированного на показания и противопоказания в лечении многих заболеваний…
Так что вопрос спорный… Далее читайте на «Форуме» http://smham.ucoz.ru/forum/8-8-1 .


1   [Материал]
Здраствуйте! Необижайтесь сайт я оценил плохо. Скажу почему:
1.Нет на сайте схем,только ссылки на журналы, что отвлекает от Вас.
2.Искать где-то, это 100% гарантия, что к Вам невернутся на сайт.
3.На сайте мало привлекательной информации,как для профи, и для начинающих.
4.Если попал гость на ваш сайт, так 2 часа как минимум он недолжен его покинуть.
Опубликуйте несколько простых схем радиостанций, приемников укв , измерительную
апаратуру, апаратуру для настройки радио узлов и т. д.
5. Перестаньте делать другим рекламу, позаботьтесь о себе.
с уважением Анатолий.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]