Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
"Фізичні обгрунтування і методика проведення процедур ультразвукової терапії. Апаратна реалізація апаратів ультразвукової терапії"
Фізичні обгрунтування і методика проведення процедур ультразвукової терапії
У тканинах організму так само, як і в будь-якому твердому, рідкому або газоподібному речовині, можуть виникати механічні (пружні) коливання і хвилі. Механічні коливання і хвилі при частоті нижче 16 Гц називають інфразвуковими. Лікувальне застосування подібних коливань можна бачити на прикладі вібраційного масажу. Механічні коливання і хвилі в діапазоні частот від 16 Гц до 20 кГц називаються звуковими і сприймаються вухом. Механічні коливання і хвилі з частотою вище 20 кГц називаються ультразвуковими (або просто ультразвуком) і вухом не сприймаються. Верхня межа спектра ультразвукових коливань не встановлено. В даний час отримують ультразвукові коливання з частотою в декілька сот мільйонів герц.
У звукових і ультразвукових хвилях коливання частинок відбуваються в тому ж напрямку, що і поширення хвилі. Такі хвилі, звані поздовжніми, є чергуються ділянки згущення і розрідження речовини, що переміщаються в напрямку поширення хвилі. У твердих речовинах можуть утворюватися, крім поздовжніх, також і поперечні звукові або ультразвукові хвилі.
Відстань між двома найближчими точками хвилі, що коливаються в одній фазі (наприклад, між центрами двох сусідніх ділянок згущення або розрідження), називається довжиною хвилі. Між частотою ультразвукових коливань f і довжиною хвилі # 955; існує залежність # 955; = c / f. де с - швидкість поширення хвилі в даному середовищі. Швидкість поширення залежить від пружних властивостей і щільності середовища; в рідинах вона вище, ніж в газах, а в твердих тілах вище, ніж в рідинах.
В повітрі ультразвукові хвилі поширюються зі швидкістю близько 330 м / с. Швидкість поширення ультразвуку в різних м'яких тканинах організму знаходиться в межах 1445-1600 м / с, не відрізняючись більш, ніж на 10% від швидкості поширення в воді (близько 1500м / с).
У кісткової тканини швидкість поширення вище - близько 3370 м / с. Таким чином, при найбільш часто респонденти користуються послугами в ультразвукової терапії частоті 880 кГц довжина хвилі у воді і м'яких тканинах тіла має величину порядку 1,6 - 1,8 мм.
Для створення і підтримки ультразвукової хвилі потрібна постійна передача в середу енергії джерела коливань. Ця енергія в процесі коливання частинок середовища біля положення рівноваги передається від однієї частинки іншої так, що в ультразвукової хвилі відбувається передача енергії без перенесення самого речовини.
Кількість енергії, переносний за 1 с через майданчик 1 см 2. перпендикулярну напрямку поширення хвилі, називається інтенсивністю ультразвукових коливань. Оскільки величина енергії за 1 с є потужність, то інтенсивність дорівнює потужності коливань, що припадає на 1 см 2.
Відбуваються в ультразвукової хвилі коливальні рухи частинок речовини характеризуються дуже малою амплітудою зміщення і надзвичайно великими прискореннями. Так, наприклад, при частоті 880 кГц частки тканин тіла, в яких поширюється хвиля з інтенсивністю 2 Вт / см 2 (максимальна інтенсивність, яка використовується при ультразвукової терапії), коливаються з амплітудою близько 3,5 · 10 -6 см. Максимальне прискорення досягає при це 90 · 10 6 см / с 2. що перевищує величину прискорення вільного падіння тіл майже в 100 тис. разів.
На коливаються частки речовини діють значні величини змінного (акустичного) тиску. Так, наприклад, при терапевтичному застосуванні ультразвуку з вищевказаними параметрами амплітуда змінного тиску досягає 2,7 атм.
Величезні прискорення і значні тиску, які відчувають частинками середовища при ультразвукових коливаннях, визначають в значній мірі дію ультразвуку (в тому числі і лікувальне) на тканини організму.
При поширенні ультразвукової хвилі відбуваються втрати енергії на нагрів частинок середовища. Інтенсивність ультразвуку зменшується при цьому за експоненціальним законом. Для характеристики цього процесу використовують поняття "глибина проникнення". Глибина проникнення дорівнює відстані до поверхні, на якій інтенсивність ультразвукової хвилі зменшилася в е раз (е ≈ 2,7 - основа натуральних логарифмів). Поглинання енергії збільшується з частотою коливань, відповідно зменшується глибина проникнення. На частоті 880 кГц глибина проникнення ультразвукової енергії в м'язові тканини становить близько 5 см, в жирові тканини - близько 10 см, в кістки - близько 0,3 см. Малі втрати енергії в шарах жирової тканини і, отже, незначний їх нагрівання при достатньому проникненні енергії в м'язи забезпечують хороші умови для терапевтичного застосування ультразвуку.
Разом з тим, розподіл ультразвукової енергії між шарами тканин тіла має характерну особливість, яка полягає в інтенсивному нагріванні кісткових тканин. Це відрізняє дію ультразвуку від дії електромагнітної хвилі і має враховуватися при проведенні процедур ультразвукової терапії.
Апаратна реалізація апаратів ультразвукової терапії
Джерелом ультразвукових хвиль є якесь тіло, що знаходиться в коливальному русі з відповідною частотою. Для отримання ультразвуку частотою в декілька десятків кілогерц зазвичай використовується явище магнітострикції, яке полягає в тому, що під дією змінного магнітного поля дещо змінюється довжина розташованого вздовж поля стрижня з феромагнітного матеріалу. Це періодичне подовження і укорочення стрижня призводить в коливальний рух прилеглі до кінців стрижня частки середовища, в якій утворюється ультразвукова хвиля. У медицині для цілей терапії застосовується ультразвук щодо високої частоти порядку 800-3000 кГц, який виходить за допомогою так званого зворотного п'єзоелектричного ефекту. Зворотний п'єзоелектричний ефект полягає в тому, що в багатьох кристалах (кварц, сегнетова сіль, титанат барію та ін.) Під дією електричного поля відбувається деяке взаємне зміщення полярних груп атомів, що складають основну структуру речовини, що викликає відповідну зміну розмірів кристалів.
Якщо до торцевих поверхонь пластинки, вирізаної певним чином з кристала кварцу, за допомогою електродів прикласти змінну електричну напругу, то товщина пластинки буде по черзі зменшуватися і збільшуватися з частотою прикладеної напруги.
При зменшенні товщини пластинки в прилеглих шарах навколишнього середовища утворюється розрідження, а при збільшенні - згущення частинок середовища.
Таким чином, в результаті періодичної зміни товщини пластинки, званої п'єзоелектричним перетворювачем, в середовищі виникає ультразвукова хвиля, що розповсюджується в напрямку, перпендикулярному поверхні пластинки (рис. 1).
Малюнок 1 - Схема освіти ультразвукової хвилі
Ультразвукові хвилі підкоряються тим же законам, що й звукові хвилі. У зв'язку з більш високою частотою і відповідно меншою довжиною хвилі ультразвукові хвилі легше фокусуються, вони сильніше поглинаються середовищем, ніж звукові.
Апарат для лікування ультразвуком складається з генератора електричних коливань, до коливального контуру якого підключений п'єзоелектричний перетворювач. Перетворювач виноситься в окрему головку (випромінювач), з'єднану кабелем з апаратом.
Головка, схематично показана в розрізі на малюнку 2, складається з циліндричного металевого корпусу 4, на підставі 1 якого розташований п'єзоелектричний перетворювач - пластина 6. Пластина утримується за допомогою держателя 3 і пружини 7. Під власником завжди є тонкий прошарок повітря, тому в бік ручки ультразвук не випромінює. Амплітуда коливань пластини, а отже, інтенсивність ультразвукової хвилі, що розповсюджується від передньої поверхні перетворювача, будуть максимальні при збігу власної резонансної частоти пластинки з частотою генератора. Ця умова виконується, якщо товщина пластинки дорівнює непарному числу півхвиль (при частоті 880 кГц товщина кварцової пластинки, що дорівнює одній полуволне, становить близько 3,26 мм).
Малюнок 2 - Схема головки апарату для ультразвукової терапії
Підстава 1 кріпиться до корпусу головки за допомогою накидної гайки 5. Для того щоб ультразвукова хвиля проходила через підставу (резонатор) без ослаблення, товщина його повинна складати ціле число півхвиль (зазвичай, одну чи дві).
Корпус головки укріплений в ручці 2, за допомогою якої її тримають під час процедури. Усередині ручки проходить провід живлення від генератора. Провід через втулку 8 з'єднаний з тримачем 3, який має електричний контакт з перетворювачем. Другим електродом служить корпус головки, до якого приєднується екрануюча обплетення кабелю живлення.
В останні роки в ультразвукових терапевтичних апаратах широке застосування отримали п'єзоперетворювачі з кераміки титанату барію. Кераміка титаната барію являє собою спечені при високій температурі дрібні кристали, т. Е. Має полікристалічну структуру. Перевагою її в порівнянні з кварцом є дешевизна і менша величина напруги, необхідна для збудження ультразвукових коливань (напруга на кварцовою платівці при частоті 880 кГц і інтенсивності 2 Вт / см 2 перевищує 1500 В, напруга ж на платівці з кераміки титанату барію при тій же інтенсивності не більше 100 В). Це дозволяє спростити конструкцію і схему апарату, зокрема, застосувати для харчування головки гнучкий низьковольтний кабель.
Вплив ультразвуком на тканини організму здійснюється зазвичай безпосередньо шляхом застосування торцевої поверхні головки до області, яка підлягає впливу. Такий спосіб застосовується при впливі на відносно плоскі поверхні м'яких тканин тіла і може бути як нерухомим (стабільним), так і рухомим (лабільним), при якому ультразвукову головку плавно, масажними рухом переміщають по всій поверхні області впливу.
При проведенні процедур ультразвукової терапії особливо велика увага повинна приділятися забезпеченню хорошого акустичного контакту між головкою і тілом хворого. Через значне розходження щільності повітря і твердих тіл, а також різниці в швидкостях поширення ультразвуку в цих середовищах на кордоні твердого тіла з повітрям відбувається практично повне відображення ультразвукової хвилі. Тому між головкою і тілом хворого не повинно бути повітряних прошарків. Для цього поверхню опромінюваної ділянки тіла покривають шаром проміжного середовища, зазвичай вазелінового масла, що заповнює всі можливі повітряні проміжки між головкою і тілом.
На поверхні тіла складної форми, наприклад, стопу, вплив ультразвуком проводиться через воду у ванні.
У ванну з теплою водою поміщають кінцівку і випромінювач. Випромінювач або розташовується нерухомо на невеликій відстані від поверхні тіла, або його повільно і плавно переміщають над областю дії. Якщо потрібно здійснити вплив знизу, то на дні ванни встановлюють плоский металевий відбивач, що направляє хвилю випромінювача на опромінюється поверхню.
Дія ультразвукових коливань на тканини організму має складний механізм, в якому можна розрізнити три основні складові: механічну, теплову і хімічну.
Механічна дія ультразвуку, обумовлене коливаннями частинок тканини, представляє своєрідний "мікромасаж" тканин. Відбуваються при цьому зміни взаємного просторового розташування клітинних структур призводять до їх перебудови, до зрушень в їх функціональному стані. Теплова дія, пов'язане з поглинанням енергії ультразвукової хвилі, внаслідок взаємного тертя частинок призводить до переважного нагрівання м'язових і особливо кісткових тканин.
Хімічна дія ультразвуку є наслідком зазначених механічних і теплових ефектів. Основними біохімічними зрушеннями, викликаними ультразвуком, є зміни інтенсивності окислювальних процесів, посилення процесів дифузії та ін.
Дозиметрія при ультразвукової терапії полягає в установці заданої величини інтенсивності ультразвуку і тривалості впливу. Інтенсивність в Вт / см 2 вказується, як правило, на шкалі регулятора вихідної потужності апарату; середні величини застосовуваних інтенсивностей при рухомий методикою становлять 0,5 - 1,5 Вт / см, при нерухомій методикою 0,05 - 0,3 Вт / см 2.
Крім безперервної дії, в ультразвукової терапії широко використовується також і імпульсний (переривчастий) режим впливу. При цьому тривалість імпульсу регулюється в межах 4-10 мс. при частоті проходження 50 Гц. Середня інтенсивність коливань в цьому випадку менше зазначеної на шкалі у стільки разів, у скільки тривалість імпульсів менше періоду їх слідування.
В експлуатації повинен здійснюватися періодичний контроль калібрування шкали регулятора інтенсивності. Для цього за допомогою спеціального приладу вимірюється вихідна ультразвукова потужність апарату. За відомими значеннями потужності і робочої площі випромінювача може бути визначена інтенсивність ультразвукових коливань.
Вимірювання потужності засновані на тому, що розповсюджується ультразвукова хвиля чинить постійний тиск на поверхню тіла, що перешкоджає її поширенню. Величина цього тиску при повному віддзеркаленні від перешкоди прямо пропорційна інтенсивності і обернено пропорційна швидкості поширення ультразвуку. Незважаючи на те, що чиниться хвилею тиск дуже невелика (при максимальних терапевтичних интенсивностях в воді або тканинах тіла - десятитисячні частки атмосфери), його можна виміряти чутливими приладами, які градуюються в величинах випромінюваної джерелом ультразвуку потужності.
Ультразвукова терапевтична техніка
Вихідні каскади УЗТ апаратів:
- схема на одному транзисторі
- схема двотактного каскаду
Вихідні каскади УЗТ апаратів
Акустоелектронні терапевтичні апарати
Акустоелектронні терапевтичні апарати впливають на організм механічними хвилями в акустичному діапазоні хвиль. Кожна молекула биоткани набуває маленьку амплітуду коливань, але при цьому велике прискорення. Для впливу на посудину з великим діаметром необхідно менша частота, ніж при впливі на судину з меншим діаметром. У зв'язку з цим запропонований метод і апарат в якому частота впливу змінюється в часі. Як випромінювачів використовується пьезокерамические перетворювачі ..
Малюнок 3 - Графік коливання звукової частоти на тканини
Малюнок 4 - акустоелектронні терапевтичний апарат