Acasă | Despre noi | feedback-ul
Dacă mediul în care propagarea ultrasunetelor, are o vâscozitate și conductivitatea termică, apoi propagarea undei ultrasonice este schenie ei abs, adică distanța de la sursa scade de energie.
Partea predominantă a energiei absorbite de țesut este transformată în căldură, o parte mai mică provoacă schimbări structurale ireversibile.
Se știe că 2/3 din energia cu ultrasunete este absorbită la nivelul moleculelor și 1/3 la nivelul structurilor tisulare microscopice.
Absorbția depinde, de asemenea, de frecvența vibrațiilor cu ultrasunete - absorbția crește rapid cu frecvență în creștere. Teoretic, absorbția este proporțională cu pătratul frecvenței.
Trebuie remarcat faptul că absorbția ultrasunetelor în țesuturile biologice nu respectă legile generale pentru mediile omogene. În țesuturile biologice nu există o dependență patrată, ci o dependență liniară a absorbției de frecvență. Acest lucru se datorează eterogenității țesuturilor. Eterogenitatea țesuturilor biologice se datorează, de asemenea, gradului diferit de absorbție a ultrasunetelor. De exemplu, cea mai mică absorbție este observată în stratul de grăsime și aproape de două ori mai mare decât în țesutul muscular. Substanța cenușie a creierului absoarbe ultrasunetele de două ori mai mult decât materia albă. Micul este absorbit de ultrasunetele lichidului cefalorahidian. Cea mai mare absorbție este observată în țesutul osos.
Cantitatea de absorbție poate fi caracterizată printr-un coeficient de absorbție, care arată cum variază intensitatea ultrasunetelor în mediul iradiat.
Intensitatea SUA în timp ce trece prin țesuturi scade exponențial:
unde I este intensitatea undei ultrasonice la adâncimea de penetrare h,
I0 este intensitatea valului ultrasonic la suprafața substanței,
k este coeficientul de absorbție, care depinde de densitatea și vâscozitatea mediului, precum și de frecvența undei ultrasonice.
În plus, este posibilă absorbția anormală a energiei vibrațiilor cu ultrasunete în anumite benzi de frecvență - aceasta depinde de structura moleculară a acestui țesut.
Coeficientul de penetrare al unui val ultrasonic într-un alt mediu este egal cu raportul dintre intensitățile:
unde I2 este intensitatea valului refractat, I1. este intensitatea undei incidentului.
Releul a arătat că:
Coeficientul de absorbție este invers proporțional cu adâncimea de penetrare a undei ultrasonice, la care intensitatea sa scade cu un factor "e"
Cu cât frecvența undelor ultrasonice este mai mare, cu atât este mai mică adâncimea penetrării. Deci, la o frecvență (800-900) kHz, ultrasunetele penetrează până la o adâncime de 4-5 centimetri și la o frecvență (1600-2600) kHz pe 1 cm.
Structuri în care există o atenuare completă a undelor ultrasonice, adică prin care ultrasunetele nu pot pătrunde, să dea în urmă o umbră acustică (de exemplu, structuri calcifiate ale inimii).
În studiile medicale, absorbția undelor ultrasunete este estimată prin profunzimea absorbției de jumătate. Adâncimea de semi-absorbție poate fi determinată prin lege:
unde H este adâncimea de absorbție pe jumătate. aceasta este adâncimea la care intensitatea undelor ultrasonice este înjumătățită,
h este adâncimea de penetrare.
De exemplu, la o frecvență de 1 MHz, în apă H = 350 cm (k = 0,001), în sânge 17 cm (k = 0,01).
În tabelul de mai jos. 4 prezintă valorile coeficientului de absorbție k și adâncimea de absorbție semi-absorbantă H la frecvențe diferite pentru diferite țesuturi:
Slăbirea ultrasunetelor în țesuturile biologice din cauza împrăștierii
Cu trecerea ultrasunete în țesutul și reflectarea sa ulterioară și a reveni la receptor trebuie să ia în considerare nu numai absorbția unui anumit țesut, dar, de asemenea, atât împrăștierea țesuturilor ei înșiși și de a împărtăși granițele lor. Dispersia de ultrasunete - acest fenomen se produce ori de câte ori propagarea ultrasunetelor în mediu este deviat în toate direcțiile, datorită eterogenității mediului.
Mecanismul de acțiune al ultrasunetelor asupra materiei și a țesuturilor biologice
2.1. Acțiune mecanică
2.2. Acțiune termică
2.3. Acțiune chimică
2.4. Acțiune biologică la nivel celular
În propagarea ultrasunetelor în substanță se manifestă diferite tipuri de interacțiuni de ultrasunete cu materia.
Când SUA se propagă în medii reale, valul interacționează cu mediul. Mediul determină propagarea și atenuarea undei. Valul afectează mediul însuși.
Ecografia utilizată în diagnosticare la nivele de intensitate mai mică de 0,1 W / cm2 nu are practic nici un efect nociv asupra obiectelor biologice. Cu toate acestea, la niveluri mai ridicate pentru ultrasunetele de înaltă frecvență în mediu lichid neomogen, ultrasunetele afectează mediile biologice datorate efectelor mecanice, termice și chimice.
Majoritatea reacțiilor fizico-chimice primare dintr-un organism viu sub acțiunea ecografiei sunt locale. Cu toate acestea, aceste efecte pot provoca reacția organismului în ansamblu.
Să luăm în considerare efectele mecanice, termice și chimice ale ultrasunetelor asupra obiectelor biologice.
Efectul mecanic se datorează însăși natura cu ultrasunete, care este mișcarea de oscilație a particulelor gazoase, lichide și mediile solide, și este conectat cu o presiune acustică variabilă în timpul comprimării și extinderea mediului și forțele datorate accelerații mari in curs de dezvoltare particule.
Atunci când sunt expuse la ultrasunete pe obiecte biologice, particulele medii efectuează mișcare de vibrație intensă, în care, de exemplu, lichide (tesuturi moi), la o ecografie de intensitate de 1 W / cm2, la o frecvență de 1MHz amplitudinii deplasării de 0,2 microni, amplitudinea vitezei de vibrație 12cm / s .
La o intensitate scăzută, aceste vibrații determină micromasajul elementelor structurale ale țesutului, care contribuie la îmbunătățirea metabolismului.
Deplasările rezultate ale pereților celulari se apropie de deplasările de prag care determină activitatea bioelectrică a mecanoreceptorilor. La o frecvență de 10 MHz, deplasările de prag ale elementelor celulare vor avea loc chiar și la intensități de 0,1 W / cm2. o celulă vie poate prezenta efecte semnificative deja la intensități destul de scăzute ale ultrasunetelor de înaltă frecvență.
Fluxuri acustice, fluxuri acustice
Propagarea undelor ultrasonice de mare intensitate în gaze și lichide determină mișcarea unui mediu, numit curentul acustic, Fig.
Fig.6 Fluxul acustic în timpul propagării cu ultrasunete
Există și fluxuri acustice (vânt sonor), a căror viteză atinge 10 m / s, care pot amesteca lichide iradiate, schimbându-le proprietățile fizice.
Au fost studiate trei tipuri de curenți acustici.
Primul tip este fluxurile de mici dimensiuni care apar la interfața de fază din stratul de graniță. Ei au un caracter vortex.
Cel de-al doilea tip de flux acustic apare în afara stratului limită.
Al treilea tip sunt curenții direcționați de la radiator în direcția fasciculului cu ultrasunete, creând o presiune dinamică asupra obiectelor situate în traseul de curgere.
Într-un val plan, în medii omogene, la nivele scăzute de intensitate, vibrațiile ultrasonice ale particulelor mediului sunt limitate de mișcările vibraționale apropiate de poziția de echilibru. Pentru mediile neomogene, cum ar fi mediile biologice, mișcările în mișcare sunt adăugate la mișcările vibraționale, care cauzează fluxuri acustice (microflows). Cu cât sunt mai mari nivelurile de intensitate ale ultrasunetelor, cu atât sunt mai puternice aceste efecte. Chiar și la intensități de 0,1-1 W / cm2, microcurenții puternici încep să apară în celule și în spațiul intercelular.
flux și microflows acustic, capabile să genereze atât în afara și în interiorul celulelor accelera procesele de difuzie, și de asemenea mișcare turbionară, ceea ce poate provoca ruperea membranelor celulare, deformarea și deplasarea structurilor intracelulare și citoplasmă.
Propagarea unui val ultrasonic într-un mediu este asociată cu deformările mecanice ale mediului. Deformările apar ca urmare a îngroșării și epuizării consecutive a particulelor mediului, ceea ce creează o presiune alternativă în mediu. În funcție de intensitatea valului ultrasonic, aceste deformări pot provoca fie o ușoară modificare a structurii, fie distrugerea acesteia.
In medii lichide prin ultrasunete, amplitudinea modificărilor de presiune alternativ în funcție de densitatea fluidului, viteza de propagare a undelor ultrasonice, intensitatea și frecvența oscilațiilor particulelor medii. La momentul de întindere, la presiune joasă, în secțiuni separate ale fluidului se produce fluid discontinuitatea - lichidul se poate rupe, astfel, în lichidul poate forma microcavitate (cavități), care într-o anumită măsură, umplut cu vapori de lichid sau gaze dizolvate în ea. presarea ulterioară conduce la prăbușirea bule formate. Înainte de a trantite o mulțime de presiune este creat în ele. Prin urmare, în momentul dispariției bulelor există șocuri hidraulice puternice și o undă de șoc cu presiune variabilă ridicată, care are o forță distructivă mare. Acest fenomen se numește cavitație.
Formarea și propagarea ulterioară a undelor de șoc pot duce la lacrimi și deteriorarea structurii țesuturilor biologice.
Pentru ca să apară cavitația, este necesar să se atingă o anumită valoare a intensității ultrasunetelor (valoarea pragului). Valoarea pragului depinde de frecvența ultrasunetelor și de forțele de aderență în lichid. Întinderea, care poate rezista lichidelor, depinde de impuritățile din ele (prezența
gaze și bule de gaz). Cavitația în țesuturi sub influența ultrasunetelor nefocused poate fi observată la intensități mai mari de 0,6 W / cm2 la o frecvență de 1 MHz. În formarea cavernelor, densitatea medie a lichidului scade, iar viteza mișcării vibraționale a particulelor mediului crește. Deoarece cavitățile necesită timp pentru a forma, la frecvențe foarte înalte (peste 5 MHz) nu se observă cavitație.
Microcaviturile cavitale formate în mediu cu expunere la ultrasunete, există un timp scurt. Presiunea scăzută în fiecare punct al mediului există doar în timpul jumătății ciclului de oscilații, apoi este înlocuită de o presiune mărită, ceea ce duce la o prăbușire rapidă a microcavităților. Ca urmare a creșterii mișcării vibraționale a particulelor mediului, precum și a colapsului cavernelor, cantități mari de energie termică sunt eliberate în volume mici. Absorbția energiei cu ultrasunete determină o creștere a temperaturii mediului.
Cavitația este, de asemenea, însoțită de formarea de particule chimice active care reacționează cu biomacromoleculele, modificând în mod semnificativ proprietățile lor.
Cavitația poate fi însoțită de o strălucire - radiația electromagnetică a moleculelor excitate în faza de formare a undelor de șoc.
Efectul cavitației este folosit, în special, într-un bisturiu cu ultrasunete.
Acționează asupra membranelor
Impactul mecanic al undelor ultrasonice asupra sistemelor biologice pot modifica vâscozitatea citoplasmei, perturba gradienți de concentrație de substanțe diferite în vecinătatea membranelor celulare sau chiar compromite integritatea membranelor celulare. În toate cazurile, ca urmare a influenței tulburărilor mecanice asupra celulei, există o schimbare a condițiilor de transport pentru molecule și ioni prin membrana celulară.
Are loc în timpul trecerii undelor ultrasonice ale porțiunilor de condensare și rarefierea modificărilor medii creează o presiune relativă suplimentară la presiunea mediului ambiant în afara mediului său. Această presiune externă suplimentară se numește presiunea de radiație. Acesta este motivul pentru care, atunci când trecerea undelor ultrasonice prin limita de aer lichid poate țâșnește fluid (Figura 7) și pulverizare, pentru a forma o ceață foarte fină.
Figura 7. Fantana de lichid cu un fascicul ultrasonic care se încadrează.
Acest mecanism este utilizat pentru a crea aerosoli de substanțe medicinale.
Efectul termic al acțiunii ultrasunetelor depinde de intensitatea și durata lor.
Trecerea ultrasunetelor în mediu este însoțită de încălzirea lor datorită transformării energiei mecanice în energie termică ca urmare a absorbției cu ultrasunete. În plus, formarea căldurii se datorează unui fenomen fizic numit efectul "efecte limită". Esența sa este de a spori efectul ultrasunetelor la interfața dintre cele două medii. Creșterea efectului termic se datorează reflectării oscilațiilor de la suprafețele limită: cu cât reflecția este mai mare, cu atât este mai pronunțată acțiunea. Acest lucru este demonstrat în mod clar prin următoarele experimente. Uleiul a fost încălzit într-un ulei ultrasonic, apoi bilele metalice au fost scufundate în ulei, temperatura uleiului a fost apoi ridicată. Cu o diminuare a mărimii bilelor și o creștere a numărului lor, cu greutatea totală neschimbată, temperatura a crescut și mai mult prin creșterea suprafeței totale a bilelor. Experiența arată că, odată cu creșterea vibrațiilor care reflectă suprafața, efectul termic este îmbunătățit.
Cu o potrivire apropiată a sursei de ultrasunete, senzațiile neplăcute nu sunt observate pe pielea pacientului. Dar dacă există un strat mic de aer între piele și capul radiatorului, apare o senzație de arsură. Amplificarea efectului termic se datorează reflexiei intense a oscilațiilor ultrasonice la interfața piele-aer, datorită diferenței mari de rezistență acustică. În același mod, poate să apară fenomenul de interferență a undelor ultrasunete incidente și reflectate.
Efectul termic se manifestă și în propagarea ultrasunetelor în aer. Deci, la o intensitate de 160? W / m 2 (frecvența de 20 kHz) vată aprinsă după 6 secunde; chips-uri de oțel au fost încălzite roșu-fierbinte în 1 minut
În timpul propagării ultrasunetelor în mediul biologic, energia undei este absorbită și transferată la căldură. În același timp, intensitatea SUA slăbește cu distanța în conformitate cu legea exponențială. Cantitatea de absorbție într-un mediu lichid este mult mai mică decât în țesuturile moi și mai ales în țesutul osos. La o frecvență de 1 MHz la o distanță de 1 cm, nivelul intensității energiei cu ultrasunete scade în țesuturi moi, mușchi și oase cu 1 dB, 2,3 dB și, respectiv, 13 dB. Pe măsură ce crește frecvența, absorbția crește brusc. Astfel, la o frecvență de 3 MHz în mușchi și oase, scăderea nivelului de intensitate este de 5 dB și, respectiv, de 55 dB.
Creșterea temperaturii mediului va fi determinată de intensitatea, durata expunerii, frecvența ultrasunetelor, modul de acțiune (continuu, puls) și proprietățile mediului.
Căldura necesară pentru încălzirea țesutului muscular la 5-7 ° C, cu o intensitate de 1 W / cm2 și o frecvență de 1 MHz pot fi alocate pentru 0,5-5 minute, în funcție de condițiile de transfer de căldură și proprietăți ale țesutului. Este caracteristic faptul că formarea căldurii nu are loc uniform pe întreaga grosime a țesutului, dar cel mai vizibil pe limitele mediilor cu impedanțe diferite de undă. Încălzirea locală a țesuturilor pe unitate de grade este utilizată în fizioterapia cu ultrasunete.
Încălzirea țesuturilor în fracțiuni și unități de grade, de regulă, duce la supraîncălzirea țesuturilor și moartea lor.
In chirurgia efect ultrasonic asupra tesutului biologic duce la distrugerea sa, care se realizează prin concentrarea fascicule de ultrasunete puternice, astfel încât să se obțină intensitățile de mai mult de 1 kW / cm 2. Astfel, pentru câteva secunde, într-un volum de 1-2 mm 3 Temperatura de țesut se ridică la 100 ° C, și duce la distrugerea sa.
În timpul propagării ultrasunetelor se pot forma ioni și radicali. Unul dintre mecanismele acestui proces este următorul.
Atunci când cavitățile de cavitație se formează pe suprafețele de frontieră, este posibilă apariția încărcărilor electrice. Atunci când cavernele sunt închise, moleculele mediului se mișcă cu mare viteză și se confruntă cu frecare reciprocă. Ca urmare a tuturor acestor molecule ale mediului, ele pot fi excitate și ionizate, deoarece este posibilă ruperea legăturilor moleculare. Acest lucru conduce, de asemenea, la formarea de ioni și radicali. În particular, ionizarea moleculelor de apă conduce la formarea radicalilor hidroxilici liberi și a hidrogenului atomic:
Din punct de vedere chimic, produsele de descompunere ale moleculelor de apă ionizată sunt extrem de active. Este activitatea lor ridicată se datorează unui număr de efecte biologice generale care apar sub influența ultrasunetelor: acțiunea oxidantă a ultrasunetelor, descompunerea proteinelor, compuși proteiform depolimerizarea, inactivarea enzimelor, accelerarea reacțiilor chimice, schimbarea pH-ului, scindarea compușilor cu masa moleculară înaltă.
Toate substanțele reactive care apar pot interacționa cu molecule diferite, adică au un efect chimic la nivel molecular.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: