למרות העובדה שחקר גלים קוליים החל לפני יותר ממאה שנים, רק בחצי המאה האחרונה הם הפכו בשימוש נרחב בתחומים שונים של פעילות אנושית. זה נובע מהפיתוח האקטיבי של הקטעים הקוונטיים והלא ליניאריים של האקוסטיקה, ושל אלקטרוניקה קוונטית ופיזיקה של מצב מוצק. כיום, אולטרסאונד הוא לא רק ייעוד של אזור התדר הגבוה של גלים אקוסטיים, אלא כיוון מדעי שלם בפיזיקה וביולוגיה מודרנית, הקשור לטכנולוגיות תעשייתיות, מידע ומדידות, כמו גם לשיטות אבחון, כירורגיות וטיפוליות של רפואה מודרנית.
מה זה?
ניתן לחלק את כל גלי הקול לאלו הנשמעים לבני אדם - אלו הם תדרים מ-16 עד 18 אלף הרץ, וכאלה שנמצאים מחוץ לטווח התפיסה האנושית - אינפרא אדום ואולטרסאונד. אינפרסאונד מובן כגלים הדומים לקול, אך עם תדרים נמוכים מאלה הנתפסים על ידי האוזן האנושית. הגבול העליון של אזור האינפרסוני הוא 16 הרץ, והגבול התחתון הוא 0.001 הרץ.
אולטרסאונד- גם אלו הם גלי קול, אבל רק התדירות שלהם גבוהה ממה שמכשיר השמיעה האנושי יכול לתפוס. ככלל, הם מתכוונים לתדרים מ-20 עד 106 קילו-הרץ. הגבול העליון שלהם תלוי בתווך שבו גלים אלו מתפשטים. אז, במדיום גזי, הגבול הוא 106 קילו-הרץ, ובמוצקים ובנוזלים הוא מגיע ל-1010 קילו-הרץ. ישנם מרכיבים קוליים ברעש של גשם, רוח או מפלים, פריקות ברקים ורשרוש חלוקי נחל שמגולגלים בגל הים. הודות ליכולת לתפוס ולנתח גלים קוליים, לווייתנים ודולפינים, עטלפים וחרקים ליליים מכוונים את עצמם בחלל.
קצת היסטוריה
המחקרים הראשונים של אולטרסאונד (ארה ב) בוצעו בתחילת המאה ה-19 על ידי המדען הצרפתי F. Savart, שביקש לגלות את גבול התדר העליון של השמיעה של מכשיר השמיעה האנושי. בעתיד, מדענים ידועים כמו V. Vin הגרמני, F. G alton האנגלי, P. Lebedev הרוסי וקבוצת סטודנטים עסקו בחקר גלים קוליים.
בשנת 1916, הפיזיקאי הצרפתי פ. לנגווין, בשיתוף עם המדען המהגר הרוסי קונסטנטין שילובסקי, הצליח להשתמש בקוורץ כדי לקבל ולפלוט אולטרסאונד למדידות ימיות ולגילוי עצמים תת-מימיים, מה שאפשר לחוקרים ליצור את הראשון סונאר, המורכב ממשדר ומקלט של אולטרסאונד.
בשנת 1925 יצר וו. פירס האמריקאי מכשיר, שנקרא היום אינטרפרומטר פירס, שמודד מהירויות וספיגה בדיוק רבאולטרסאונד במדיה נוזלית וגז. בשנת 1928, המדען הסובייטי ס. סוקולוב היה הראשון שהשתמש בגלים קוליים כדי לזהות פגמים שונים במוצקים, כולל מתכתיים.
בשנות ה-50-60 שלאחר המלחמה, בהתבסס על התפתחויות תיאורטיות של צוות של מדענים סובייטים בראשות ל.ד. רוזנברג, החל להשתמש באולטרסאונד במגוון תחומים תעשייתיים וטכנולוגיים. במקביל, הודות לעבודתם של מדענים בריטים ואמריקאים, כמו גם מחקריהם של חוקרים סובייטים כמו R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov ורבים אחרים, מתפתחת במהירות דיסציפלינה מדעית כמו אקוסטיקה לא ליניארית.
בסביבות אותו הזמן, נעשו הניסיונות האמריקאים הראשונים להשתמש באולטרסאונד ברפואה.
המדען הסובייטי סוקולוב בסוף שנות הארבעים של המאה הקודמת פיתח תיאור תיאורטי של מכשיר שנועד להמחיש חפצים אטומים - מיקרוסקופ "אולטרא-קולי". בהתבסס על עבודות אלו, באמצע שנות ה-70, מומחים מאוניברסיטת סטנפורד יצרו אב טיפוס של מיקרוסקופ אקוסטי סורק.
תכונות
בעלי אופי משותף, הגלים של הטווח הנשמע, כמו גם גלים קוליים, מצייתים לחוקים הפיזיקליים. אבל לאולטרסאונד יש מספר תכונות המאפשרות שימוש נרחב בתחומים שונים של מדע, רפואה וטכנולוגיה:
1. אורך גל קטן. עבור הטווח האולטראסוני הנמוך ביותר, הוא אינו עולה על כמה סנטימטרים, מה שגורם לאופי הקרניים של התפשטות האות. במקביל, הגלממוקד ומופץ על ידי אלומות ליניאריות.
2. תקופת תנודות לא משמעותית, שבגללה ניתן לפלוט אולטרסאונד בפולסים.
3. בסביבות שונות, לרעידות על-קוליות באורך גל שאינו עולה על 10 מ מ יש תכונות דומות לקרני האור, מה שמאפשר למקד רעידות, ליצור קרינה מכוונת, כלומר לא רק לשלוח אנרגיה בכיוון הנכון, אלא גם לרכז אותה ב-. נפח נדרש.
4. עם משרעת קטנה, ניתן להשיג ערכים גבוהים של אנרגיית רטט, המאפשרת ליצור שדות ואלומות אולטרסאונד באנרגיה גבוהה ללא שימוש בציוד גדול.
5. בהשפעת אולטרסאונד על הסביבה, ישנן השפעות פיזיות, ביולוגיות, כימיות ורפואיות ספציפיות רבות, כגון:
- dispersion;
- cavitation;
- degassing;
- חימום מקומי;
- חיטוי ועוד. אחרים
צפיות
כל התדרים האולטראסוניים מחולקים לשלושה סוגים:
- ULF - נמוך, עם טווח של 20 עד 100 קילו-הרץ;
- MF - טווח בינוני - מ-0.1 עד 10 מגה-הרץ;
- UZVCh - בתדר גבוה - מ-10 עד 1000 מגה-הרץ.
היום, השימוש המעשי באולטרסאונד הוא בעיקר שימוש בגלים בעוצמה נמוכה למדידה, בקרה ולימוד המבנה הפנימי של חומרים ומוצרים שונים. תדר גבוה משמשים להשפעה פעילה על חומרים שונים, מה שמאפשר לך לשנות את תכונותיהםומבנה. אבחון וטיפול במחלות רבות באמצעות אולטרסאונד (באמצעות תדרים שונים) הוא תחום נפרד ומתפתח באופן פעיל ברפואה המודרנית.
היכן זה חל?
בעשורים האחרונים, לא רק תיאורטיקנים מדעיים מתעניינים באולטרסאונד, אלא גם מתרגלים שמכניסים אותו יותר ויותר לסוגים שונים של פעילות אנושית. כיום משתמשים ביחידות קוליות עבור:
| קבלת מידע על חומרים וחומרים | אירועים | תדר ב-kHz | ||
| from | to | |||
| מחקר על הרכב ותכונות של חומרים | גוף מוצק | 10 | 106 | |
| נוזלים | 103 | 105 | ||
| gases | 10 | 103 | ||
| שליטה בגדלים וברמות | 10 | 103 | ||
| סונאר | 1 | 100 | ||
| Defectoscopy | 100 | 105 | ||
| דיאגנוסטיקה רפואית | 103 | 105 | ||
|
השפעות על חומרים |
הלחמה וציפוי | 10 | 100 | |
| Welding | 10 | 100 | ||
| עיוות פלסטי | 10 | 100 | ||
| עיבוד שבבי | 10 | 100 | ||
| Emulsification | 10 | 104 | ||
| קריסטליזציה | 10 | 100 | ||
| Spray | 10-100 | 103-104 | ||
| קרישת אירוסול | 1 | 100 | ||
| Dispersion | 10 | 100 | ||
| ניקוי | 10 | 100 | ||
| תהליכים כימיים | 10 | 100 | ||
| השפעה על בעירה | 1 | 100 | ||
| Surgery | 10 עד 100 | 103 עד 104 | ||
| Therapy | 103 | 104 | ||
| עיבוד וניהול אותות | מתמרים אלקטרוניים | 103 | 107 | |
| מסננים | 10 | 105 | ||
| קווי עיכוב | 103 | 107 | ||
| מכשירים אקוסטו-אופטיים | 100 | 105 | ||
בעולם של היום, אולטרסאונד הוא כלי טכנולוגי חשוב בתעשיות כגון:
- metallurgical;
- chemical;
- agricultural;
- textile;
- food;
- פרמקולוגי;
- ייצור מכונות וכלים;
- פטרוכימיה, זיקוק ואחרים.
בנוסף, אולטרסאונד נמצא יותר ויותר בשימוש ברפואה. על זה נדבר בסעיף הבא.
שימוש רפואי
ברפואה המעשית המודרנית, ישנם שלושה תחומי שימוש עיקריים של אולטרסאונד בתדרים שונים:
1. אבחון.
2. טיפולי.
3. כירורגי.
בוא נסתכל מקרוב על כל אחד משלושת התחומים האלה.
Diagnosis
אחת השיטות המודרניות והאינפורמטיביות ביותר לאבחון רפואי היא אולטרסאונד. היתרונות הבלתי מעורערים שלו הם: השפעה מינימלית על רקמות אנושיות ותכולת מידע גבוהה.
כפי שכבר הוזכר, אולטרסאונד הוא גלי קול,מתפשט במדיום הומוגני בקו ישר ובמהירות קבועה. אם ישנם אזורים בעלי צפיפות אקוסטית שונה בדרכם, אז חלק מהתנודות משתקף, והחלק השני נשבר, תוך המשך תנועתו הליווית. לפיכך, ככל שההבדל בצפיפות אמצעי הגבול גדול יותר, כך משתקפות יותר רעידות קוליות. ניתן לחלק את השיטות המודרניות של בדיקת אולטרסאונד למיקומים ושקופים.
מיקום אולטרה-סוני
בתהליך של מחקר כזה, מוקלטים פולסים המשתקפים מגבולות מדיה עם צפיפות אקוסטית שונה. בעזרת חיישן ניתן להזיז את הגודל, המיקום והצורה של האובייקט הנבדק.
שקוף
שיטה זו מבוססת על העובדה שרקמות שונות בגוף האדם סופגות אולטרסאונד בצורה שונה. במהלך המחקר של כל איבר פנימי מופנה לתוכו גל בעוצמה מסוימת, ולאחר מכן האות המשודר נרשם מהצד ההפוך עם חיישן מיוחד. התמונה של האובייקט הסרוק משוכפלת על סמך השינוי בעוצמת האות ב"קלט" ו"פלט". המידע המתקבל מעובד ומומר על ידי מחשב בצורה של אקוגרם (עקומה) או סונוגרמה - תמונה דו מימדית.
שיטת דופלר
זוהי שיטת האבחון המתפתחת ביותר, המשתמשת באולטרסאונד דופק ורציף כאחד. דופלרוגרפיה נמצאת בשימוש נרחב במיילדות, קרדיולוגיה ואונקולוגיה, כפי שהיא מאפשרתעקוב אפילו אחר השינויים הקטנים ביותר בנימים ובכלי דם קטנים.
שדות יישום של אבחון
כיום, שיטות הדמיה ומדידה אולטרסאונד נמצאות בשימוש נרחב ביותר בתחומים רפואיים כגון:
- מיילדות;
- אופטלמולוגיה;
- קרדיולוגיה;
- נוירולוגיה של יילודים ותינוקות;
- בדיקת איברים פנימיים:
- אולטרסאונד כליות;
- כבד;
- כיס מרה ותעלות;
- מערכת הרבייה הנשית;
אבחון של איברים חיצוניים ושטחיים (בלוטות התריס ובלוטות החלב)
שימוש בטיפול
האפקט הטיפולי העיקרי של אולטרסאונד נובע מיכולתו לחדור לרקמות אנושיות, לחמם ולחמם אותן ולבצע מיקרו-מסאז' של אזורים בודדים. אולטרסאונד יכול לשמש הן להשפעות ישירות והן להשפעות עקיפות על מוקד הכאב. בנוסף, בתנאים מסוימים, לגלים אלו יש השפעה חיידקית, אנטי דלקתית, משככת כאבים ועוויתות. אולטרסאונד המשמש למטרות טיפוליות מחולק על תנאי לתנודות בעוצמה גבוהה ונמוכה.
גלים בעוצמה נמוכה הם המשמשים ביותר לגירוי תגובות פיזיולוגיות או חימום קל ולא מזיק. טיפול אולטרסאונד הראה תוצאות חיוביות במחלות כגון:
- דלקת מפרקים;
- דלקת מפרקים;
- myalgia;
- spondylitis;
- neuralgia;
- דליות וכיבים טרופיים;
- Ankylosing spondylitis;
- מחיקת אנדרטריטיס.
מתקיימים מחקרים המשתמשים באולטרסאונד לטיפול במחלת מנייר, אמפיזמה, כיבים בתריסריון ובקיבה, אסטמה, אוטוסקלרוזיס.
ניתוח אולטראסוני
ניתוח מודרני באמצעות גלי אולטרסאונד מחולק לשני אזורים:
- הרס סלקטיבי של אזורי רקמות עם גלים קוליים מבוקרים מיוחדים בעוצמה גבוהה עם תדרים מ-106 ל-107 Hz;
- שימוש במכשיר כירורגי עם רעידות אולטרא-קוליות מ-20 עד 75 קילו-הרץ.
דוגמה לניתוח אולטרסאונד סלקטיבי היא ריסוק אבנים על ידי אולטרסאונד בכליות. בתהליך של פעולה לא פולשנית כזו, גל קולי פועל על האבן דרך העור, כלומר מחוץ לגוף האדם.
למרבה הצער, לשיטה כירורגית זו יש מספר מגבלות. אין להשתמש בריסוק קולי במקרים הבאים:
- נשים בהריון בכל עת;
- אם קוטר האבנים הוא יותר משני סנטימטרים;
- לכל מחלות זיהומיות;
- בנוכחות מחלות שמשבשות את קרישת הדם הרגילה;
- במקרה של נגעים חמורים בעצמות.
למרות שהסרת אבנים בכליות באולטרסאונד מתבצעת ללא ניתוחחתכים, זה די כואב ומבוצע בהרדמה כללית או מקומית.
מכשירי אולטרסאונד כירורגיים משמשים לא רק לנתיחה פחות כואבת של עצם ורקמות רכות, אלא גם כדי להפחית את איבוד הדם.
בואו נפנה את תשומת הלב שלנו לרפואת שיניים. אולטרסאונד מסיר אבנים בשיניים בצורה פחות כואבת, וכל המניפולציות האחרות של הרופאים הרבה יותר קלות לשאת. בנוסף, בטראומה ובתרגול אורטופדי, אולטרסאונד משמש לשחזור שלמות העצמות שבורות. במהלך פעולות כאלה ממלאים את החלל בין שברי העצמות בתרכובת מיוחדת המורכבת משברי עצם ופלסטיק נוזלי מיוחד, ולאחר מכן הוא נחשף לאולטרסאונד, שבגללו כל הרכיבים מחוברים היטב. מי שעבר התערבויות כירורגיות שבמהלכן נעשה שימוש באולטרסאונד מותיר ביקורות שונות - חיוביות ושליליות. עם זאת, יש לציין שיש עדיין מטופלים מרוצים יותר!
