Nonostante lo studio delle onde ultrasoniche sia iniziato più di cento anni fa, solo nell'ultimo mezzo secolo sono diventate ampiamente utilizzate in vari campi dell'attività umana. Ciò è dovuto allo sviluppo attivo delle sezioni quantistiche e non lineari dell'acustica, dell'elettronica quantistica e della fisica dello stato solido. Oggi, gli ultrasuoni non sono solo una designazione della regione ad alta frequenza delle onde acustiche, ma un'intera direzione scientifica nella fisica e nella biologia moderne, associata alle tecnologie industriali, dell'informazione e di misurazione, nonché ai metodi diagnostici, chirurgici e terapeutici di medicina moderna.
Cos'è questo?
Tutte le onde sonore possono essere suddivise in quelle udibili dall'uomo - queste sono frequenze da 16 a 18 mila Hz e quelle che sono al di fuori della gamma di percezione umana - infrarossi e ultrasuoni. Gli infrasuoni sono onde simili al suono, ma con frequenze inferiori a quelle percepite dall'orecchio umano. Il limite superiore della regione infrasonica è 16 Hz e il limite inferiore è 0,001 Hz.
Ultrasuoni- anche queste sono onde sonore, ma solo la loro frequenza è superiore a quella percepibile dall'apparecchio acustico umano. Di norma, significano frequenze da 20 a 106 kHz. Il loro limite superiore dipende dal mezzo in cui queste onde si propagano. Quindi, in un mezzo gassoso, il limite è 106 kHz e in solidi e liquidi raggiunge 1010 kHz. Ci sono componenti ultrasoniche nel rumore della pioggia, del vento o delle cascate, nelle scariche dei fulmini e nel fruscio dei ciottoli rotolati dall'onda del mare. È grazie alla capacità di percepire e analizzare le onde ultrasoniche che balene e delfini, pipistrelli e insetti notturni si orientano nello spazio.
Un po' di storia
I primi studi sugli ultrasuoni (US) furono condotti all'inizio del XIX secolo dallo scienziato francese F. Savart, che cercò di scoprire il limite di frequenza superiore dell'udibilità dell'apparecchio acustico umano. In futuro, scienziati famosi come il tedesco V. Vin, l'inglese F. G alton, il russo P. Lebedev e un gruppo di studenti furono impegnati nello studio delle onde ultrasoniche.
Nel 1916, il fisico francese P. Langevin, in collaborazione con lo scienziato emigrato russo Konstantin Shilovsky, fu in grado di utilizzare il quarzo per ricevere ed emettere ultrasuoni per misurazioni marine e rilevare oggetti sottomarini, il che permise ai ricercatori di creare il primo sonar, composto da trasmettitore e ricevitore di ultrasuoni.
Nel 1925, l'americano W. Pierce creò un dispositivo, oggi chiamato interferometro Pierce, che misura velocità e assorbimento con grande precisioneultrasuoni in mezzi liquidi e gassosi. Nel 1928, lo scienziato sovietico S. Sokolov fu il primo a utilizzare le onde ultrasoniche per rilevare vari difetti nei solidi, compresi quelli metallici.
Negli anni '50 e '60 del dopoguerra, sulla base degli sviluppi teorici di un team di scienziati sovietici guidato da L. D. Rozenberg, gli ultrasuoni iniziarono ad essere ampiamente utilizzati in vari campi industriali e tecnologici. Allo stesso tempo, grazie al lavoro di scienziati britannici e americani, nonché alla ricerca di ricercatori sovietici come R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov e molti altri, una disciplina scientifica come l'acustica non lineare si sta sviluppando rapidamente.
Più o meno nello stesso periodo, furono fatti i primi tentativi americani di usare gli ultrasuoni in medicina.
Lo scienziato sovietico Sokolov alla fine degli anni Quaranta del secolo scorso sviluppò una descrizione teorica di uno strumento progettato per visualizzare oggetti opachi: un microscopio "a ultrasuoni". Sulla base di questi lavori, a metà degli anni '70, gli esperti della Stanford University hanno creato un prototipo di microscopio acustico a scansione.
Caratteristiche
Avere una natura comune, le onde della gamma udibile, così come le onde ultrasoniche, obbediscono alle leggi fisiche. Ma gli ultrasuoni hanno una serie di caratteristiche che gli consentono di essere ampiamente utilizzato in vari campi della scienza, della medicina e della tecnologia:
1. Piccola lunghezza d'onda. Per la gamma ultrasonica più bassa, non supera alcuni centimetri, causando la natura del raggio della propagazione del segnale. Allo stesso tempo, l'ondafocalizzato e propagato da fasci lineari.
2. Periodo di oscillazione insignificante, a causa del quale gli ultrasuoni possono essere emessi a impulsi.
3. In vari ambienti, le vibrazioni ultrasoniche con una lunghezza d'onda non superiore a 10 mm hanno proprietà simili ai raggi luminosi, il che consente di focalizzare le vibrazioni, formare una radiazione diretta, ovvero non solo inviare energia nella giusta direzione, ma anche concentrarla nella volume richiesto.
4. Con una piccola ampiezza, è possibile ottenere alti valori di energia di vibrazione, il che consente di creare campi e fasci ultrasonici ad alta energia senza l'uso di apparecchiature di grandi dimensioni.
5. Sotto l'influenza degli ultrasuoni sull'ambiente, ci sono molti effetti fisici, biologici, chimici e medici specifici, come ad esempio:
- dispersione;
- cavitazione;
- degassamento;
- riscaldamento locale;
- disinfezione e altro ancora. altri
Viste
Tutte le frequenze ultrasoniche sono divise in tre tipi:
- ULF - basso, con una gamma da 20 a 100 kHz;
- MF - gamma media - da 0,1 a 10 MHz;
- UZVCh - alta frequenza - da 10 a 1000 MHz.
Oggi, l'uso pratico degli ultrasuoni è principalmente l'uso di onde a bassa intensità per misurare, controllare e studiare la struttura interna di vari materiali e prodotti. L' alta frequenza viene utilizzata per influenzare attivamente varie sostanze, il che consente di modificarne le proprietàe struttura. La diagnosi e il trattamento di molte malattie con gli ultrasuoni (utilizzando frequenze diverse) è un'area separata e in fase di sviluppo attivo della medicina moderna.
Dove si applica?
Negli ultimi decenni, non solo i teorici scientifici sono interessati agli ultrasuoni, ma anche i professionisti che li stanno introducendo sempre più in vari tipi di attività umane. Oggi le unità ad ultrasuoni vengono utilizzate per:
| Ottenere informazioni su sostanze e materiali | Eventi | Frequenza in kHz | ||
| da | da a | |||
| Ricerca sulla composizione e le proprietà delle sostanze | corpi solidi | 10 | 106 | |
| liquidi | 103 | 105 | ||
| gas | 10 | 103 | ||
| Controlla dimensioni e livelli | 10 | 103 | ||
| Ecoscandaglio | 1 | 100 | ||
| Difettoscopia | 100 | 105 | ||
| Diagnostica medica | 103 | 105 | ||
|
Impatti sulle sostanze |
Saldatura e placcatura | 10 | 100 | |
| Saldatura | 10 | 100 | ||
| Deformazione plastica | 10 | 100 | ||
| Lavorazione | 10 | 100 | ||
| Emulsionamento | 10 | 104 | ||
| Cristallizzazione | 10 | 100 | ||
| Spruzzare | 10-100 | 103-104 | ||
| Coagulazione aerosol | 1 | 100 | ||
| Dispersione | 10 | 100 | ||
| Pulizia | 10 | 100 | ||
| Processi chimici | 10 | 100 | ||
| Influenza sulla combustione | 1 | 100 | ||
| Chirurgia | da 10 a 100 |
da 103 a 104 |
||
| Terapia | 103 | 104 | ||
| Elaborazione e gestione del segnale | Trasduttori acustoelettronici | 103 | 107 | |
| Filtri | 10 | 105 | ||
| Linee di ritardo | 103 | 107 | ||
| Dispositivi acusto-ottici | 100 | 105 | ||
Nel mondo di oggi, gli ultrasuoni sono uno strumento tecnologico importante in settori quali:
- metallurgico;
- chimico;
- agricoltura;
- tessile;
- cibo;
- farmacologico;
- fabbricazione di macchine e strumenti;
- petrolchimico, raffinazione e altri.
Inoltre, gli ultrasuoni sono sempre più utilizzati in medicina. Questo è ciò di cui parleremo nella prossima sezione.
Uso medico
Nella moderna medicina pratica, ci sono tre aree principali di utilizzo degli ultrasuoni di varie frequenze:
1. Diagnostica.
2. Terapeutico.
3. Chirurgico.
Diamo un'occhiata più da vicino a ciascuna di queste tre aree.
Diagnosi
Uno dei metodi più moderni e informativi di diagnostica medica è l'ecografia. I suoi indubbi vantaggi sono: impatto minimo sui tessuti umani e alto contenuto informativo.
Come già accennato, gli ultrasuoni sono onde sonore,propagandosi in un mezzo omogeneo in linea retta e a velocità costante. Se ci sono aree con densità acustiche diverse lungo il percorso, parte delle oscillazioni viene riflessa e l' altra parte viene rifratta, continuando il suo movimento rettilineo. Pertanto, maggiore è la differenza nella densità del mezzo limite, più vibrazioni ultrasoniche vengono riflesse. I moderni metodi di esame ecografico possono essere suddivisi in localizzati e traslucidi.
Posizione a ultrasuoni
Nel processo di tale studio, vengono registrati gli impulsi riflessi dai confini del supporto con diverse densità acustiche. Con l'aiuto di un sensore mobile, puoi impostare la dimensione, la posizione e la forma dell'oggetto in studio.
Traslucido
Questo metodo si basa sul fatto che diversi tessuti del corpo umano assorbono gli ultrasuoni in modo diverso. Durante lo studio di qualsiasi organo interno, viene diretta un'onda con una certa intensità, dopo di che il segnale trasmesso viene registrato dal retro con un sensore speciale. L'immagine dell'oggetto scansionato viene riprodotta in base alla variazione dell'intensità del segnale in "ingresso" e "uscita". Le informazioni ricevute vengono elaborate e convertite da un computer sotto forma di ecogramma (curva) o sonogramma - un'immagine bidimensionale.
Metodo Doppler
Questo è il metodo diagnostico in sviluppo più attivo, che utilizza sia gli ultrasuoni pulsati che quelli continui. La dopplerografia è ampiamente utilizzata in ostetricia, cardiologia e oncologia, poiché consentetraccia anche i più piccoli cambiamenti nei capillari e nei piccoli vasi sanguigni.
Campi di applicazione della diagnostica
Oggi, i metodi di misurazione e imaging a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati in campi medici come:
- ostetricia;
- oftalmologia;
- cardiologia;
- neurologia di neonati e lattanti;
- esame degli organi interni:
- ecografia renale;
- fegato;
- cistifellea e dotti;
- sistema riproduttivo femminile;
Diagnosi degli organi esterni e superficiali (tiroide e ghiandole mammarie)
Utilizzare in terapia
Il principale effetto terapeutico degli ultrasuoni è dovuto alla sua capacità di penetrare nei tessuti umani, riscaldarli e riscaldarli ed eseguire il micromassaggio delle singole aree. Gli ultrasuoni possono essere utilizzati sia per effetti diretti che indiretti sul focus del dolore. Inoltre, in determinate condizioni, queste onde hanno un effetto battericida, antinfiammatorio, analgesico e antispasmodico. Gli ultrasuoni utilizzati a scopo terapeutico sono suddivisi condizionatamente in vibrazioni ad alta e bassa intensità.
Sono le onde a bassa intensità quelle più utilizzate per stimolare risposte fisiologiche o un leggero riscaldamento non dannoso. Il trattamento con ultrasuoni ha mostrato risultati positivi in malattie come:
- artrite;
- artrite;
- mialgia;
- spondilite;
- nevralgia;
- ulcere varicose e trofiche;
- Spodilite anchilosante;
- endarterite obliterante.
Sono in corso studi che utilizzano gli ultrasuoni per trattare la malattia di Meniere, l'enfisema, le ulcere duodenali e gastriche, l'asma, l'otosclerosi.
Chirurgia ad ultrasuoni
La moderna chirurgia che utilizza gli ultrasuoni è divisa in due aree:
- distruzione selettiva di aree di tessuto con speciali onde ultrasoniche controllate ad alta intensità con frequenze da 106 a 107 Hz;
- utilizzando uno strumento chirurgico con vibrazioni ultrasoniche sovrapposte da 20 a 75 kHz.
Un esempio di chirurgia ad ultrasuoni selettiva è la frantumazione di calcoli mediante ultrasuoni nei reni. Nel processo di tale operazione non invasiva, un'onda ultrasonica agisce sulla pietra attraverso la pelle, cioè all'esterno del corpo umano.
Purtroppo, questo metodo chirurgico ha una serie di limitazioni. Non utilizzare la frantumazione ad ultrasuoni nei seguenti casi:
- donne in gravidanza in qualsiasi momento;
- se il diametro delle pietre supera i due centimetri;
- per eventuali malattie infettive;
- in presenza di malattie che interrompono la normale coagulazione del sangue;
- in caso di gravi lesioni ossee.
Nonostante il fatto che la rimozione dei calcoli renali mediante ultrasuoni avvenga senza operareincisioni, è piuttosto doloroso e viene eseguito in anestesia generale o locale.
Gli strumenti chirurgici ad ultrasuoni vengono utilizzati non solo per una dissezione meno dolorosa delle ossa e dei tessuti molli, ma anche per ridurre la perdita di sangue.
Volgiamo la nostra attenzione verso l'odontoiatria. L'ecografia rimuove i calcoli dentali in modo meno doloroso e tutte le altre manipolazioni del medico sono molto più facili da sopportare. Inoltre, nella pratica ortopedica e traumatica, gli ultrasuoni vengono utilizzati per ripristinare l'integrità delle ossa rotte. Durante tali operazioni, lo spazio tra i frammenti ossei viene riempito con un composto speciale costituito da frammenti ossei e una speciale plastica liquida, quindi viene esposto agli ultrasuoni, grazie ai quali tutti i componenti sono saldamente collegati. Coloro che hanno subito interventi chirurgici durante i quali sono stati utilizzati gli ultrasuoni lasciano recensioni diverse, sia positive che negative. Tuttavia, va notato che ci sono ancora più pazienti soddisfatti!
