Trotz der Tatsache, dass das Studium der Ultraschallwellen vor mehr als hundert Jahren begann, wurden sie erst im letzten halben Jahrhundert in verschiedenen Bereichen der menschlichen Tätigkeit weit verbreitet. Dies ist auf die aktive Entwicklung sowohl der Quanten- als auch der nichtlinearen Bereiche der Akustik sowie der Quantenelektronik und der Festkörperphysik zurückzuführen. Ultraschall ist heute nicht nur eine Bezeichnung für den Hochfrequenzbereich akustischer Wellen, sondern eine ganze Wissenschaftsrichtung in der modernen Physik und Biologie, die mit Industrie-, Informations- und Messtechnologien sowie diagnostischen, chirurgischen und therapeutischen Verfahren verbunden ist moderne Medizin.
Was ist das?
Alle Schallwellen können in diejenigen unterteilt werden, die für Menschen hörbar sind - das sind Frequenzen von 16 bis 18.000 Hz, und solche, die außerhalb des Bereichs der menschlichen Wahrnehmung liegen - Infrarot und Ultraschall. Unter Infraschall versteht man schallähnliche Wellen, deren Frequenzen jedoch niedriger sind als die vom menschlichen Ohr wahrnehmbaren. Die Obergrenze des Infraschallbereichs liegt bei 16 Hz und die Untergrenze bei 0,001 Hz.
Ultraschall- auch das sind Schallwellen, aber nur deren Frequenz ist höher als das menschliche Hörgerät wahrnehmen kann. In der Regel sind damit Frequenzen von 20 bis 106 kHz gemeint. Ihre Obergrenze hängt von dem Medium ab, in dem sich diese Wellen ausbreiten. In einem gasförmigen Medium liegt die Grenze also bei 106 kHz und in Feststoffen und Flüssigkeiten bei 1010 kHz. Es gibt Ultraschallkomponenten im Rauschen von Regen, Wind oder Wasserfällen, Blitzentladungen und dem Rascheln von Kieselsteinen, die von der Meereswelle gerollt werden. Dank der Fähigkeit, Ultraschallwellen wahrzunehmen und zu analysieren, orientieren sich Wale und Delfine, Fledermäuse und nachtaktive Insekten im Raum.
Ein bisschen Geschichte
Die ersten Ultraschalluntersuchungen (US) wurden Anfang des 19. Jahrhunderts von dem französischen Wissenschaftler F. Savart durchgeführt, der die obere Frequenzgrenze der Hörbarkeit des menschlichen Hörgeräts herauszufinden suchte. In Zukunft beschäftigten sich so bekannte Wissenschaftler wie der Deutsche V. Vin, der Engländer F. G alton, der Russe P. Lebedev und eine Gruppe von Studenten mit dem Studium von Ultraschallwellen.
Im Jahr 1916 gelang es dem französischen Physiker P. Langevin in Zusammenarbeit mit dem russischen emigrierten Wissenschaftler Konstantin Shilovsky, Quarz zu verwenden, um Ultraschall für Meeresmessungen zu empfangen und zu emittieren und Unterwasserobjekte zu erkennen, was es Forschern ermöglichte, die ersten zu erschaffen Sonar, bestehend aus Sender und Empfänger von Ultraschall.
Im Jahr 1925 schuf der Amerikaner W. Pierce ein Gerät, das heute Pierce-Interferometer genannt wird und Geschwindigkeiten und Absorption mit großer Genauigkeit misstUltraschall in flüssigen und gasförmigen Medien. 1928 war der sowjetische Wissenschaftler S. Sokolov der erste, der Ultraschallwellen verwendete, um verschiedene Defekte in Festkörpern, einschließlich metallischer, zu erkennen.
In den 50er und 60er Jahren der Nachkriegszeit wurde Ultraschall auf der Grundlage der theoretischen Entwicklungen eines Teams sowjetischer Wissenschaftler unter der Leitung von L. D. Rozenberg in verschiedenen industriellen und technologischen Bereichen eingesetzt. Gleichzeitig entwickelt sich dank der Arbeit britischer und amerikanischer Wissenschaftler sowie der Forschung sowjetischer Forscher wie R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov und vieler anderer eine solche wissenschaftliche Disziplin wie die nichtlineare Akustik schnell.
Ungefähr zur gleichen Zeit wurden die ersten amerikanischen Versuche unternommen, Ultraschall in der Medizin einzusetzen.
Der sowjetische Wissenschaftler Sokolov entwickelte Ende der vierziger Jahre des letzten Jahrhunderts eine theoretische Beschreibung eines Instruments zur Visualisierung undurchsichtiger Objekte - eines "Ultraschall" -Mikroskops. Basierend auf diesen Arbeiten erstellten Experten der Stanford University Mitte der 70er Jahre einen Prototyp eines akustischen Rastermikroskops.
Funktionen
Die Wellen des hörbaren Bereichs haben ebenso wie Ultraschallwellen eine gemeinsame Natur und gehorchen physikalischen Gesetzen. Ultraschall hat jedoch eine Reihe von Merkmalen, die eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, Medizin und Technologie ermöglichen:
1. Kleine Wellenlänge. Für den niedrigsten Ultraschallbereich übersteigt er einige Zentimeter nicht, was die Strahlennatur der Signalausbreitung verursacht. Gleichzeitig die Wellefokussiert und propagiert durch lineare Strahlen.
2. Unbedeutende Schwingungsdauer, wodurch Ultraschall impulsweise abgegeben werden kann.
3. In verschiedenen Umgebungen haben Ultraschallschwingungen mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 10 mm ähnliche Eigenschaften wie Lichtstrahlen, wodurch es möglich ist, Schwingungen zu fokussieren, gerichtete Strahlung zu bilden, dh Energie nicht nur in die richtige Richtung zu senden, sondern sie auch zu konzentrieren erforderliche Lautstärke.
4. Mit einer kleinen Amplitude ist es möglich, hohe Schwingungsenergiewerte zu erh alten, wodurch es möglich ist, hochenergetische Ultraschallfelder und -strahlen ohne den Einsatz großer Geräte zu erzeugen.
5. Unter dem Einfluss von Ultraschall auf die Umwelt gibt es viele spezifische physikalische, biologische, chemische und medizinische Wirkungen, wie zum Beispiel:
- Verteilung;
- Kavitation;
- Entgasung;
- Nahwärme;
- Desinfektion und mehr. andere
Aufrufe
Alle Ultraschallfrequenzen werden in drei Typen unterteilt:
- ULF - niedrig, mit einem Bereich von 20 bis 100 kHz;
- MF - mittlerer Bereich - von 0,1 bis 10 MHz;
- UZVCh - Hochfrequenz - von 10 bis 1000 MHz.
Heute besteht der praktische Einsatz von Ultraschall hauptsächlich in der Verwendung von Wellen geringer Intensität zum Messen, Kontrollieren und Untersuchen der inneren Struktur verschiedener Materialien und Produkte. Hochfrequenz wird verwendet, um verschiedene Substanzen aktiv zu beeinflussen, wodurch Sie ihre Eigenschaften verändern könnenund Struktur. Die Diagnose und Behandlung vieler Krankheiten mit Ultraschall (unter Verwendung verschiedener Frequenzen) ist ein separater und sich aktiv entwickelnder Bereich der modernen Medizin.
Wo gilt es?
In den letzten Jahrzehnten interessieren sich nicht nur wissenschaftliche Theoretiker für Ultraschall, sondern auch Praktiker, die ihn zunehmend in verschiedene Arten menschlicher Aktivitäten einführen. Heute werden Ultraschallgeräte verwendet für:
| Einholung von Informationen über Stoffe und Materialien | Ereignisse | Frequenz in kHz | ||
| von | bis | |||
| Erforschung der Zusammensetzung und Eigenschaften von Stoffen | Festkörper | 10 | 106 | |
| Flüssigkeiten | 103 | 105 | ||
| Gase | 10 | 103 | ||
| Kontrollgrößen und Ebenen | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defektoskopie | 100 | 105 | ||
| Medizinische Diagnostik | 103 | 105 | ||
|
Auswirkungen über Stoffe |
Löten und Plattieren | 10 | 100 | |
| Schweißen | 10 | 100 | ||
| Plastische Verformung | 10 | 100 | ||
| Bearbeitung | 10 | 100 | ||
| Emulgierung | 10 | 104 | ||
| Kristallisation | 10 | 100 | ||
| Spritzen | 10-100 | 103-104 | ||
| Aerosolkoagulation | 1 | 100 | ||
| Streuung | 10 | 100 | ||
| Reinigung | 10 | 100 | ||
| Chemische Prozesse | 10 | 100 | ||
| Einfluss auf die Verbrennung | 1 | 100 | ||
| Chirurgie | 10 bis 100 | 103 bis 104 | ||
| Therapie | 103 | 104 | ||
| Signalverarbeitung und -management | Akustoelektronische Wandler | 103 | 107 | |
| Filter | 10 | 105 | ||
| Verzögerungslinien | 103 | 107 | ||
| Akusto-optische Geräte | 100 | 105 | ||
In der heutigen Welt ist Ultraschall ein wichtiges technologisches Werkzeug in Branchen wie:
- metallurgisch;
- chemisch;
- landwirtschaftlich;
- Textil;
- Essen;
- pharmakologisch;
- Maschinen- und Instrumentenbau;
- Petrochemie, Raffination und andere.
Darüber hinaus wird Ultraschall zunehmend in der Medizin eingesetzt. Darüber werden wir im nächsten Abschnitt sprechen.
Medizinische Verwendung
In der modernen praktischen Medizin gibt es drei Hauptanwendungsbereiche von Ultraschall verschiedener Frequenzen:
1. Diagnose.
2. Therapeutisch.
3. Chirurgisch.
Sehen wir uns jeden dieser drei Bereiche genauer an.
Diagnose
Eine der modernsten und aussagekräftigsten Methoden der medizinischen Diagnostik ist der Ultraschall. Seine unbestrittenen Vorteile sind: minimale Auswirkungen auf menschliches Gewebe und hoher Informationsgeh alt.
Wie bereits erwähnt, ist Ultraschall Schallwellen,Ausbreitung in einem homogenen Medium geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit. Liegen auf ihrem Weg Bereiche mit unterschiedlicher Schalldichte, so wird ein Teil der Schwingungen reflektiert, der andere Teil gebrochen und setzt seine geradlinige Bewegung fort. Je größer also der Unterschied in der Dichte der Grenzmedien ist, desto mehr Ultraschallschwingungen werden reflektiert. Moderne Methoden der Ultraschalluntersuchung können in lokal und transluzent unterteilt werden.
Ultraschallortung
Bei einer solchen Untersuchung werden Pulse aufgenommen, die an den Grenzen von Medien mit unterschiedlichen Schalldichten reflektiert werden. Mithilfe eines beweglichen Sensors können Sie Größe, Ort und Form des zu untersuchenden Objekts einstellen.
Durchscheinend
Diese Methode basiert auf der Tatsache, dass verschiedene Gewebe des menschlichen Körpers Ultraschall unterschiedlich absorbieren. Während der Untersuchung eines inneren Organs wird eine Welle mit einer bestimmten Intensität darauf gerichtet, wonach das übertragene Signal mit einem speziellen Sensor von der Rückseite aufgezeichnet wird. Das Bild des gescannten Objekts wird anhand der Signalintensitätsänderung am "Eingang" und "Ausgang" wiedergegeben. Die erh altenen Informationen werden von einem Computer verarbeitet und in Form eines Echogramms (Kurve) oder eines Sonogramms - eines zweidimensionalen Bildes - umgewandelt.
Doppler-Methode
Dies ist die sich am aktivsten entwickelnde Diagnosemethode, die sowohl gepulsten als auch kontinuierlichen Ultraschall verwendet. Die Dopplerographie wird in großem Umfang in der Geburtshilfe, Kardiologie und Onkologie eingesetzt, sofern dies möglich istVerfolgen Sie selbst kleinste Veränderungen in Kapillaren und kleinen Blutgefäßen.
Anwendungsgebiete der Diagnostik
Ultraschall-Bildgebungs- und -Messmethoden werden heute am häufigsten in medizinischen Bereichen eingesetzt, wie zum Beispiel:
- Geburtshilfe;
- Augenheilkunde;
- Kardiologie;
- Neurologie von Neugeborenen und Säuglingen;
- Untersuchung der inneren Organe:
- Nierenultraschall;
- Leber;
- Gallenblase und Gänge;
- weibliches Fortpflanzungssystem;
Diagnostik äußerer und oberflächlicher Organe (Schilddrüse und Brustdrüse)
Anwendung in der Therapie
Die therapeutische Hauptwirkung von Ultraschall beruht auf seiner Fähigkeit, menschliches Gewebe zu durchdringen, es aufzuwärmen und aufzuwärmen und eine Mikromassage einzelner Bereiche durchzuführen. Ultraschall kann sowohl für direkte als auch indirekte Wirkungen auf den Schmerzherd verwendet werden. Außerdem wirken diese Wellen unter bestimmten Voraussetzungen bakterizid, entzündungshemmend, schmerzlindernd und krampflösend. Ultraschall, der zu therapeutischen Zwecken verwendet wird, wird bedingt in Vibrationen mit hoher und niedriger Intensität unterteilt.
Es sind die Wellen mit geringer Intensität, die am häufigsten verwendet werden, um physiologische Reaktionen oder eine leichte, nicht schädigende Erwärmung zu stimulieren. Die Ultraschallbehandlung hat positive Ergebnisse bei folgenden Krankheiten gezeigt:
- Arthritis;
- Arthritis;
- Myalgie;
- Spondylitis;
- Neuralgie;
- Krampfadern und trophische Geschwüre;
- Morbus Bechterew;
- verödende Endarteriitis.
Studien zur Behandlung von Morbus Meniere, Emphysem, Zwölffingerdarm- und Magengeschwüren, Asthma und Otosklerose werden derzeit mit Ultraschall durchgeführt.
Ultraschallchirurgie
Die moderne Chirurgie mit Ultraschallwellen gliedert sich in zwei Bereiche:
- Selektive Zerstörung von Gewebebereichen mit speziellen kontrollierten hochintensiven Ultraschallwellen mit Frequenzen von 106 bis 107 Hz;
- Verwendung eines chirurgischen Instruments mit überlagerten Ultraschallschwingungen von 20 bis 75 kHz.
Ein Beispiel für selektive Ultraschallchirurgie ist das Zerkleinern von Steinen durch Ultraschall in den Nieren. Bei einer solchen nicht-invasiven Operation wirkt eine Ultraschallwelle durch die Haut, also außerhalb des menschlichen Körpers, auf den Stein ein.
Leider hat diese Operationsmethode eine Reihe von Einschränkungen. Verwenden Sie in den folgenden Fällen keine Ultraschallzerkleinerung:
- Schwangere jederzeit;
- wenn der Durchmesser der Steine mehr als zwei Zentimeter beträgt;
- für alle Infektionskrankheiten;
- bei Vorliegen von Krankheiten, die die normale Blutgerinnung stören;
- bei schweren Knochenläsionen.
Obwohl die Entfernung von Nierensteinen per Ultraschall ohne Operation erfolgtEinschnitte, es ist ziemlich schmerzhaft und wird unter Vollnarkose oder örtlicher Betäubung durchgeführt.
Chirurgische Ultraschallinstrumente werden nicht nur zur weniger schmerzhaften Präparation von Knochen und Weichteilen eingesetzt, sondern auch zur Verringerung des Blutverlusts.
Wenden wir uns der Zahnmedizin zu. Ultraschall entfernt Zahnsteine weniger schmerzhaft, und alle anderen Eingriffe des Arztes sind viel leichter zu ertragen. Darüber hinaus wird Ultraschall in der Trauma- und orthopädischen Praxis verwendet, um die Integrität gebrochener Knochen wiederherzustellen. Bei solchen Operationen wird der Raum zwischen den Knochenfragmenten mit einer speziellen Masse aus Knochenspänen und einem speziellen flüssigen Kunststoff gefüllt und anschließend Ultraschall ausgesetzt, wodurch alle Komponenten fest miteinander verbunden werden. Diejenigen, die sich chirurgischen Eingriffen unterzogen haben, bei denen Ultraschall verwendet wurde, hinterlassen unterschiedliche Bewertungen - sowohl positiv als auch negativ. Allerdings gibt es noch mehr zufriedene Patienten!
