Ультразвук в стоматологии: Немного о звуке и волне

Содержание статьи:


  • Немного о звуке и волне
  • Дифракция и интерференция
  • Глубина проникновения ультразвука
  • Волновое сопротивление
  • Распространение ультразвука
  • Эффект Доплера
  • Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука

Шесть лет минуло с тех пор, как я высказался по поводу перспектив и практического применения ультразвука в стоматологии в небольшой своей заметке "Ультразвук может все" на страницах сайта www.dfa.ru. Электронных посланий было получено в то время более чем достаточно. Врачи интересовались практически по каждому вопросу, связанному с применением ультразвука, приоткрытому в вышеупомянутой статье. Не скрою, доминирующим вопросом во всех посланиях преобладал в основном интерес к возможности приобретения непосредственно "озвученных" инструментов и ультразвуковой аппаратуры. По всему было ясно, что на всем постсоветском пространстве мало кто имел широкое представление о возможностях и существующих методиках работы с ультразвуковым инструментарием, ну разве что, и то от части, со знакомым уже тогда многими отечественными инструментами для снятия зубных отложений. Но информационный прогресс и рынок неуклонно и стремительно набирали темп и, уже через пару лет врачи-стоматологи могли иметь нужную информацию и несколько расширенный ассортимент ультразвуковых инструментов. Правда, если быть до конца откровенным, то в приватных беседах с коллегами даже и на сегодняшний день, когда заходит разговор о более широком применении в стоматологии и о возможностях ультразвука, многие врачи, хоть и по-разному, но озвучивают одну и туже фразу - "…но он же, говорят, вреден…?!"

Сегодня же, анализируя ситуацию и задавая себе вопросы - что же изменилось с того времени(?); многие ли практикующие врачи приобщились к "озвученным" инструментам и методам(?); и, действительно, чем может быть опасен и полезен ультразвук(?) - хочется опять вернуться к теме существующих методик применения и перспективного развития ультразвука в стоматологии, так как совсем ни одним только скейлером и эндосоником обуславливаются ультразвуковые технологии и методы в стоматологии.

Но прежде чем начать разговор об ультразвуковых технологиях, предлагаю ознакомиться с подборкой материалов относительно истории развития ультразвука и его применения в медицине.

Немного о звуке и волне

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса и рассматриваться как частный случай механических колебаний и волн. Повторяющиеся движения или изменения состояния называют колебаниями. Всем колебаниям независимо от их природы, будь то механические колебания и волны или колебания распространяемые в жидких, газовых или твердых средах, присущи некоторые общие закономерности. Колебания распространяются в среде в виде волн. Любое колебательное (волновое) движение имеет свою частоту и амплитуду колебания. Волновые колебания возникающие в среде при участии внешней силы изменяются по периодическому закону и имеют названия - вынужденных колебаний. Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы. Амплитуда же вынужденных колебаний прямо пропорциональна амплитуде вынуждающей силы и имеет сложную зависимость от коэффициента затухания среды и круговых частот собственного и вынужденного колебаний. Если коэффициент затухания и начальная фаза колебаний для системы заданы, то амплитуда вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определенной частоте вынуждающей силы, называемой резонансной, а само явление достижения максимальной амплитуды - называют резонансом.

В физике область, исследующая упругие колебания в средах от самых низких частот до предельно высоких (1012 1013 Гц) носит название - акустика. В узком смысле слова под акустикой понимают учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц). Понятие - акустическое давление (звуковое давление) является важным фактором при дальнейшем рассмотрении воздействия звуковых (ультразвуковых) колебаний на биологические объекты.

Профиль акустической волны, как правило, имеет знакопеременный характер, причем давление считается положительным, если участок среды в данный момент времени испытывает сжатие, и отрицательный при разряжении. Если колебания могут быть выражены математически в виде функции, значение которой через равные промежутки времени повторяются, то они называются периодическими колебаниями. Наименьший интервал времени повторения колебательного процесса соответствует периоду (Т). Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой. f = y/T Она показывает число полных колебаний в секунду. Частота колебаний измеряется в герцах (Гц) или в более крупных кратных единицах - килогерцах (кГц) и мегагерцах (МГц). Частота колебаний связана с длиной волны (y) соотношением: y = c/f где с - скорость распространения звуковых волн (м/с).

Рис.1. Графическое изображение волны: y - длина волны; А - амплитуда; Р - акустическое давление.

Всякое же колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении ее характеристик от равновесных значений. Звуком называются механические колебания упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды, влекущие за собой возникновение в ней последовательно чередующихся участков сжатия и разряжения. Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передается на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие. Таким образом, область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления. Если же производить непрерывные смещения частиц упругой среды с какой-то частотой, то образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения, смещаясь то в одну, то в другую сторону от первоначального положения. В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть в них совпадают направления колебания частиц и перемещения волны. В твердых телах и плотных биотканях помимо продольных деформаций, возникают также и упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн, в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Рис. 2. Схематичное изображение смещения частиц в продольной (а) и сдвиговой (б) волнах.

Распространение упругих волн в средах подчиняется общему для любого диапазона частот закону. Различные случаи волнового движения отличаются друг от друга граничными и начальными условиями, которые характеризуют состояние волнового процесса на границах среды и в начальный момент времени. Тип волны с вертикальной поляризацией и двумя компонентами смещения называют волной Рэлея. Волны рэлеевского типа возникают и на границах твердое тело - жидкость и двух твердых тел. Кроме волн с вертикальной поляризацией при наличии на границе твердого полупространства твердого слоя, могут существовать волны с горизонтальной поляризацией - волны Лява. Смещение частиц в волне Лява, как показано происходит параллельно плоскости слоя в направлении, перпендикулярном распространению волны, т. е. волна Лява представляет собой чисто сдвиговую волну, имеющую одну компоненту смещения. Распространение упругих колебаний в ограниченном объеме по сравнению с безграничной средой налагает на волновой процесс дополнительные условия, которые обычно сводятся к нулевым равенствам давления на свободных поверхностях или скорости на абсолютно жестких поверхностях. При этом волновые составляющие колебаний тел ограниченной формы всегда имеют общую структуру, но несколько отличной формы, определяемой упругими свойствами и плотностью тела.

В тонких стержнях существуют три вида нормальных волн: продольные, крутильные и изгибные. Причем для изгибной волны характерна дисперсия скорости распространения, обусловленная изменением жесткости с частотой. Поэтому с увеличением частоты фазовая скорость изгибной волны возрастает.

Рис. 3. Распределения амплитуд изгибных колебаний по длине тонкого стержня при граничных условиях: а - оба конца шарнирно оперты; б - оба конца свободны; в - один конец свободен, а второй зажат.
Рис. 4. Схематичное изображение волнового процесса продольных и поперечных деформаций распространяемых в толстых стержнях в продольной волне.

Волновой процесс в толстых стержнях имеет некоторые отличия от распространения волны в тонких стержнях. В результате эффекта Пуассона продольной деформации всегда сопутствует поперечная деформация. Следовательно, в общем случае смещение частиц при продольных колебаниях имеет две компоненты. Одна компонента смещения параллельна, а другая - перпендикулярна оси распространения волны, причем преобладает осевая компонента смещения. На низких частотах распространяется рассмотренная продольная волна с продольными смещениями частиц в каждом сечении и незначительными поперечными, обусловленными эффектом Пуассона. При увеличении частоты и диаметра стержня до некого критического значения появляются волны нулевого порядка, характеризующиеся наличием стоячей волны в поперечном сечении. При критическом значении в этих волнах нет потока энергии, т. е. они представляют собой движение, быстро затухающее вдоль стержня.

На свободной поверхности жидкости волновой процесс определяется уже не упругими силами, а поверхностным натяжением и гравитацией. Сжатия и разрежения жидкой среды, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости - кавитаций. Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул. Под акустической кавитацией понимают образование и активацию газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию. По общепринятой терминологии существуют два типа активности пузырьков: стабильная кавитация и коллапсирующая, или не стационарная, кавитация, хотя граница между ними не всегда четко очерчена. Стабильные полости пульсируют под воздействием давления ультразвукового поля. Радиус пузырька колеблется около равновесного значения, полость существует в течение значительного числа периодов звукового поля. С активностью такой стабильной кавитации может быть связано возникновение акустических микропотоков и высоких сдвиговых напряжений. Коллапсирующие или нестационарные полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Схлопыванием таких пузырьков могут быть обусловлены высокие температуры и давления, а также преобразование энергии ультразвука в излучение света или химические реакции. На пылинках и частицах примесей, содержащихся в жидкостях могут существовать микротрещины. Избыточное давление внутри частичек, задаваемое радиусом частичек и коэффициент поверхностного натяжения, мало, но под действием звука достаточно высокой интенсивности газ может накачиваться в них и полости могут расти. Было показано, что интенсивность звука, необходимая для получения кавитации, заметно повышается при увеличении чистоты жидкости. Малые пузырьки могут расти вследствие процесса, называемого выпрямленной, или направленной, диффузией. Объяснение этого явления состоит в том, что за период акустического поля газ поочередно диффундирует в пузырек во время фазы разряжения и из пузырька во время фазы сжатия. Так как поверхность пузырька в фазе разряжения максимальна, суммарный поток газа направлен внутрь пузырька, поэтому пузырек растет. Чтобы пузырек рос за счет выпрямленной диффузии, амплитуда акустического давления должна превысить пороговое значение. Порог выпрямленной диффузии и определяет порог кавитации.

Дифракция и интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения. Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет. При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определенной точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определенной точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определенного участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний. Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Глубина проникновения ультразвука

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину. Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

В соответствии с частотой, звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны: инфразвук - до 16 Гц; слышимый звук - 16 Гц - 20000 Гц; ультразвук - 20 кГц - 1000 МГц. Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно считать 109 - 1010 Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется звуковая волна. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. "Непрозрачное" тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой для ультразвуковой волны с длиной 1,4 мм, возникнет "УЗ-тень". Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию ультразвуковых волн, рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучи (аналогично преломлению и отражению световых лучей). Отражение ультразвука на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, ультразвук хорошо отражается на границах мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ-локация). При ультразвуковой локации используют как непрерывное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта. Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях - ультразвуковых весах.

Волновое сопротивление

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если ультразвуковые излучатель приложить к телу человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность ультразвуковые излучателя покрывают слоем масла, глицерина или желе.

Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики. Интенсивность излучаемой волны пропорциональна квадрату частоты, поэтому можно получить ультразвук значительной интенсивности даже при сравнительно небольшой амплитуде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в ультразвуковой волне, также может быть большим, что говорит о наличии существенных сил, действующих на частицы в биологических тканях при облучении ультразвуком.

Распространение ультразвука

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне. Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия.

Ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с некоторой конечной скоростью, которая определяется упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость звука в жидкостях и твердых средах значительно выше, чем в воздухе, где она приблизительно равна 330 м/с. Для воды она будет равна 1482 м/с при 20º С. Скорость распространения ультразвука в твердых средах, например, в костной ткани, составляет примерно 4000 м/с.

Эффект Доплера

Особый практическое интерес применения ультразвука в медицине связан с эффектом Доплера - изменение частоты волн, воспринимаемым наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя. Представьте себе, что наблюдатель приближается с определенной скоростью к неподвижному относительно среды источнику волн. При этом он встречает за один и тот же интервал времени больше волн, чем при отсутствии движения. Это означает, что воспринимаемая им частота будет больше частоты волны, испускаемой источником. Другой случай: источник волн движется с какой-то скоростью к неподвижному относительно среды наблюдателю. Так как источник движется вслед за испускаемой волной, то длина волны будет меньше, чем при неподвижном источнике. Или при одновременном движении друг к другу наблюдателя и источника волн, воспринимается частота больше испускаемой. Накладывая истинные частоты излучения и воспринимаемые движущимся объектом и высчитав их разницу (доплеровский сдвиг частоты), можно точно определить скорость движения объекта.

Или еще более просто - представьте, что вы стоите на мелководье и на ваши ноги накатываются легкие волны с определенной частотой, если вы сделаете насколько шагов навстречу следующей волне, то она коснется вас быстрее, нежели чем вы бы стояли на месте и ждали ее. Зная скорость движения волн и разницу во времени между их касаниями ваших ног, можно вычислить вашу скорость движения, т.е. ту скорость, с которой вы двигались на встречу волне. И так далее с любой неизвестной и в любом направлении. Если же вы будете продолжать идти навстречу волнам, то за определенный (постоянный) промежуток времени, ваших ног коснется большее количество волн, нежели если бы вы стояли на одном месте, это и есть фазовый сдвиг частоты волнового движения, который и зависит от скорости движения объекта.

Эффект Доплера в медицине используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца и других органов.

Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука

Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты: - микровибрации на клеточном и субклеточном уровне; - разрушение биомакромолекул; - перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран; - тепловое действие; - разрушение клеток и микроорганизмов. Медико-биологические приложения ультразвука можно в основном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.

К первому направлению относятся локационные методы диагностики с использованием главным образом импульсного излучения. Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется и в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. Разработан и внедрен метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез). Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации. Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного ультразвукового прибора можно обнаружить предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м. Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений в медицине поистине огромна.

Ультразвук в стоматологии : Источники ультразвуковых колебаний
Продолжение статьи >>

Насколько полезна была эта статья?
0
Средняя оценка
0 голосов

Мнения специалистов + ПОДЕЛИТЬСЯ СВОИМ МНЕНИЕМ
ПОДЕЛИТЬСЯ СВОИМ МНЕНИЕМ

Комментарии 0