Ультразвук в стоматологии: Источники ультразвуковых колебаний (Продолжение)

Содержание статьи:


  • Ультразвуковой пучок
  • Самое большее распространение в медицине и в стоматологии в частности, нашли пьезоэлектрические и магнитострикционные ультразвуковые преобразователи
  • Магнитострикция
  • Пьезоэлектрический эффект

Ультразвук в стоматологии: Немного о звуке и волне
<< Начало статьи

Ультразвук - это колебания с частотами, большими 20000 Гц. Распространение в жидкой, газообразной и твердой средах ультразвуковых колебаний конечной амплитуды порождает физические эффекты, использование которых в медицине создает реальные предпосылки интенсификации технологического процесса обработки биологических тканей, методов диагностики и воздействия лекарственных препаратов на организм при терапевтическом лечении.

Для создания ультразвуковых колебаний разработаны многообразные технические средства - аэродинамические и гидродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические источники ультразвука - дают возможность практического применения ультразвуковой технологии во многих отраслях медицины.

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в хирургии и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью линз и зеркал.

Для диагностических исследований внутренних органов используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц. Генератором таких волн является пьезодатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы. В качестве детектора сигнала применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.

В физиотерапевтической практике используют ультразвук в диапазоне частот 800-3000 кГц. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария.

В стоматологии впервые с середины пятидесятых годов прошлого века было предложено использовать ультразвук для лечения периодонтита и для удаления камней. Инструменты, применяемые для лечения зубов, обычно состоят из стержневого ультразвукового пьезокерамического, магнитострикционного или аэродинамического преобразователя и имеют на конце рабочий наконечник. В наконечнике возбуждаются продольные колебания в диапазоне частот 20 - 45 кГц и с амплитудой движения в области 6 -100 мкм. В аэродинамических стоматологических наконечниках частота работы преобразователя обычно на выходит за рамки слышимого звука.

Ультразвуковой пучок

Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами получают с помощью соответствующих ультразвуковых преобразователей. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука.

Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены). Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет "губа" в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту "губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика.

Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Иной принцип генерации звука реализуется в роторно-пульсационных аппаратах, принципиальная конструкция которых аналогична конструкции динамических сирен. Здесь звуковое излучение образуется за счет периодического механического прерывания потока воздуха, проходящего через щелевой ротор и статор. Вращение ротора осуществляется механическим воздушным приводом. Скорость вращения и характерные размеры щелевых отверстий задают частот и интенсивность пульсации давления в потоке, а следовательно частоту и интенсивность звукового излучения. При этом интенсивные колебания среды локализованы внутри объема аппарата. Достоинством этих систем является возможность работы при низком избыточном давлении и больших расходах струи. Однако роторно-пульсационные аппараты сложны в изготовлении вследствие чего более распространенное изготовление получили пульсационные приводы. Именно такой тип генерации чаще применен в стоматологических воздушно-приводных инструментах. Типичными представителями агрегатов с аэродинамическим приводом в стоматологии являются ультразвуковые скалеры применяемые для снятия пигментированного налета и зубных отложений. Роторно-пульсационные озвучивающие механизмы используются в воздушно-приводных обрабатывающих эндодонтических инструментах и ирригаторах.

Гидродинамические генераторы-излучатели служат для превращения кинетической энергии струи в энергию упругих акустических колебаний. Генерация звука происходит в области вихревого движения струи. Для расчета генерируемого звукового поля обычно применяют теорию акустической аналогии Лайтхилла, согласно которой турбулентный (вихревой) поток рассматривают как заданный источник звука определенной структуры.

Рис. 7. Схема конструкций гидродинамических излучателей в противоточном (а) и прямом (б) вариантах: 1 - сопло; 2 - отражатель.

Самое большее распространение в медицине и в стоматологии в частности, нашли пьезоэлектрические и магнитострикционные ультразвуковые преобразователи

Магнитострикция

Магнитострикция представляет собой деформирование тел при изменении их магнитного состояния. Данное явление, открытое в 1842 г. Джоулем, свойственно ферромагнитным металлам и сплавам (ферромагнетикам) и ферритам. Ферромагнетики обладают положительным межэлектронным обменным взаимодействием, приводящим к параллельной ориентации моментов атомных носителей магнетизма. Наличие постоянных магнитных моментов электронных оболочек характерно для кристаллов, состоящих из атомов, обладающих внутренними электронными оболочками. Это имеет место для переходных элементов Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов Gd, Tb, Dy, Но, Ег, а также для их сплавов и некоторых соединений с неферромагнетиками. Способность вещества к намагничению характеризуется магнитной восприимчивостью, которая представляет собой отношение намагниченности к напряженности внешнего магнитного поля. Напряженность магнитного поля характеризуется силой, заключенной в единичной магнитной массе и действующей на северный магнитный полюс. Другой характеристикой магнитного поля является индукция магнитного поля. Магнитная энергия кристаллической решетки является функцией расстояния между атомами или ионами; следовательно, изменение магнитного состояния тела ведет к его деформированию, т. е. возникает явление магнитострикции. Магнитострикционная деформация сложным образом зависит от индукции и напряженности магнитного поля. В простейших случаях деформация пропорциональна квадрату намагниченности. Взаимосвязь между параметрами и геометрическими размерами преобразователя выводится на основе рассмотрения его конкретной формы. На практике используют два типа магнитострикционных преобразователей: стержневые и кольцевые, изготовленные из магнитных сплавов или ферритов. Металлические сплавы используют для изготовления мощных магнитострикционных преобразователей, поскольку они имеют высокие прочностные характеристики. Однако большая электропроводность сплавов обусловливает кроме потерь на перемагничение значительные потери на макровихревые токи, или токи Фуко. Поэтому преобразователи выполняют в виде пакета пластин толщиной 0,1-0,2 мм. Значительные потери определяют сравнительно низкий к. п. д. таких преобразователей (40-50%) и необходимость их водяного охлаждения. Ферритовые преобразователи обладают более высоким к. п. д. (70%), так как при большом электросопротивлении не имеют потерь на токи Фуко, но их мощностные характеристики весьма ограничены из-за низкой механической прочности.

Рис. 8. Общий вид стержневого (а) и кольцевого (б) магнитострикционного преобразователя.

При воздействии на обмотку, в которую помещен сердечник-стриктор, переменным электрическим током в последнем вследствие электромагнитной индукции возникают колебательные процессы соответствующие частоте генератора электрического сигнала. Достоинством таких генераторов является относительно низкое рабочее напряжение, что позволяет значительно упростить при изготовлении инструментов конструктивные параметры изоляции электрической части рабочего инструмента от приводного механизма и сделать их разборными для быстрой смены привода стоматологического наконечника. Недостатком же магнитострикционного преобразователя является условие обязательного постоянного охлаждения водой работающего преобразователя.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект - образование электрической поляризации при механической деформации. Для получения ультразвуковых колебаний в ультразвуковых аппаратах используют обратный пьезоэлектрический эффект, т. е. физическое явление, которое может развиваться в некоторых кристаллах. При воздействии на такие кристаллы (пьезоэлементы) переменным током высокой частоты происходит их последовательное сжатие и расширение, что лежит в основе развития колебаний, соответствующих частоте подаваемого тока.

Рис. 9. Схема пьезоэлектрического эффекта.

В отличие от электристрикции пьезоэффект наблюдается только у кристаллов, не имеющих цента симметрии. Кристаллическая решетка таких материалов состоит из полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Все кристаллы по свойствам симметрии разделены на 32 класса, из них 20 не имеют симметрии. В ультразвуковой технике наибольшее распространение получили преобразователи на основе пьезокерамики. Основными материалами для изготовления преобразователей в медицинской аппаратуре является пьезокерамика на основе: титаната бария (ТБ); титаната бария, кальция (ТБК); цирконат титанат свинца (ЦТС); ниобат свинца, бария (PZT).

Терапевтические излучатели обычно сделаны в виде дисков из высококачественной пьезокерамики цирконат-титаната свинца. Они помещаются в водонепроницаемую оболочку из алюминия или нержавеющей стали, прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная сторона диска граничит с воздухом.

Рис. 10. Схема крепления кристалла в терапевтическом излучателе, обеспечивающая воздушную нагрузку тыльной стороны кристалла: 1 - заземленный металлический корпус; 2 - пьезоэлектрический кристалл с серебряными электродами с обеих сторон; 3 - припой; 4 - пружина, прижимающая контакт.

В ультразвуковой технологии на частотах 20-60 кГц пьезокерамический преобразователь делают стержневого типа с частотопонижающими металлических накладками - преобразователь Ланжевена. Изготовление сплошного пьезокерамического полуволнового преобразователя нецелесообразно из-за технологических трудностей, сильного разогрева керамики в рабочем режиме, поскольку он имеет низкую теплопроводность, и необходимости высоких рабочих напряжений при большой толщине керамики. Обычно преобразователь выполняют в виде двух пьезокерамических шайб, рабочей дюралевой и тыльной стальной накладок, стянутых центральным болтом.

Рис. 11. Схема пьезокерамического преобразователя: 1 - тыльная накладка; 2 - пьезокерамические шайбы: 3 - токоподводящее кольцо; 4 - стягивающий болт; 5 - рабочая выкладка; 6 - отверстие для подсоединения инструмента.

Электрическая энергия является наиболее универсальным видом энергии, что и определяет преимущественное использование в ультразвуковой технологии систем, в которых источником механических колебаний являются электрические колебания ультразвуковой частоты. Электрические колебания заданной частоты формируются в ультразвуковых генераторах. В настоящее время широко используют два типа генераторов - транзисторные и тиристорные, отвечающие технологическим требованиям по уровню надежности, коэффициенту полезного действия, мощности и т. д. Кроме транзисторных и тиристорных генераторов для питания электроакустических преобразователей иногда применяют ламповые генераторы ("Ультрастом"). Ламповые ультразвуковые генераторы практически сняты с производства и их используют только в мощных генераторах мегагерцового диапазона.

Энергия электрических колебаний трансформируется в энергию механических колебаний в рассмотренных выше электроакустических преобразователях. Типичными представителями ультразвуковых стоматологических обрабатывающих приборов с магнитострикционным и пьезокерамическим приводом являются аппараты: "Turbo 25-30" /Parkell (США)/; "Piezon Master 400" /EMS (Щвейцария)/.

Рис. 12. "Piezon Master 400" - ультразвуковой стоматологический многофункциональный прибор.

"Turbo 25-30" - ультразвуковой скейлер превосходящий по мощности любой аналогичный прибор.

www.dfa.ru

Насколько полезна была эта статья?
0
Средняя оценка
0 голосов

Мнения специалистов + ПОДЕЛИТЬСЯ СВОИМ МНЕНИЕМ
ПОДЕЛИТЬСЯ СВОИМ МНЕНИЕМ

Комментарии 0