Ультразвуковая терапия (стр. 2 )

Любой вибрирующий предмет является источником звука. Звуковые волны могут генерироваться по-разному, например, механически — с помощью камертона, либо в медицине посредством электроакустических преобразователей.

Пьезоэлектрический эффект

Если приложить давление к кристаллам (кварц) и к некоторым поликристаллическим материалам, таким как свинец-цирконат-титанат (PZT), либо титанат бария, то электрические заряды образуются на внешней поверхности материала. Это называется пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрические эффекты также наблюдаются в организме человека, в частности в костной ткани, коллагеновых волокнах и белке. Возможно, эти пьезоэлектрические явления связаны с биологическим влиянием ультразвука.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект обратим. Таким образом, если вышеуказанные вещества подвергнуть воздействию переменного электрического тока, то они претерпят изменения в форме частоты переменного электрического поля. Материал затем становится источником звука.

В настоящее время для генерации ультразвука через обратный пьезоэлектрический эффект используются кварц, титанат бария и свинец-цирконат-титанат (PZT).

Последние два материала имеют преимущество в том, что благодаря своим сегнетоэлектрическим свойствам требуется малое напряжение для возбуждения акустической энергии. Это, например, делает трансформатор в излучателе излишним, уменьшая при этом размеры последнего. Кварц требует высокого напряжения (несколько кВ). Из-за необходимого трансформатора излучатель становится относительно большим.

PZT отдается большее предпочтение, чем титанату бария, т. к. он сохраняет явные пьезоэлектрические свойства вплоть до значительно более высоких температурных порогов. PZT также менее чувствителен к механическим ударам.

АППАРАТУРА

Аппарат состоит из генератора высокой частоты, который соединен с пьезокристаллом (излучатель). Резонансная частота кристалла частично определяется толщиной пьезоэлектрического материала (PZT) и, следовательно, также определяется частота ультразвука. Более того, это предполагает, что излучатель и аппарат должны быть взаимно настроены, чтобы излучатель нельзя было использовать с другим ультразвуковым аппаратом до тех пор, пока не будет произведено калибрование.

Техническое новшество разрешило эту проблему в аппарате "SONOPULS", где излучатели полностью взаимозаменяемы у однотипных аппаратов и соответствующая регулировка производится автоматически (см. рис. 1).

В результате применения переменного тока к пьезоэлектрическому материалу генерируются звуковые волны. Они будут распространяться в соседней среде (например, тканях). Так как пьезоэлектрический материал генерирует звуковые волны двунаправленно, ультразвук также будет поступать в излучатель (эффект отскока).

Это не имеет существенного значения из-за наличия воздуха в излучателе.

Преобразователь также вибрирует в сторону, следовательно ультразвуковая энергия передается боковой стенке излучателя через крепление преобразователя (излучение боковой стенки).

В излучателях аппаратов SONOPULS излучение боковой стенки было снижено до <10 мВт/см2. Различные авторитетные источники считают <10 мВт/см2 приемлемой величиной. При длительном использовании ультразвука излучение боковой стенки может вызвать симптомы в руке терапевта. Развитие этих симптомов зависит от чрезмерной интенсивности излучения боковой стенки. Поэтому, ее величину следует измерять и точно определять для аппаратуры.

SONOPULS

Зарегистрированная торговая марка Непрерывный и импульсный ультразвук Большинство ультразвуковых аппаратов могут генерировать как непрерывную, так и импульсную ультразвуковую энергию. Максимальная интенсивность, которую можно установить для непрерывного ультразвука, составляет 3 Вт/см2.

SONOPULS(R) (Сонопульс) 590 позволяет устанавливать интенсивность от 0 до 2 Вт/см2 для непрерывного и 3 Вт/см2 — для импульсного ультразвука.

Преимущество импульсного ультразвука заключается в том, что подавляется ощущение тепла. Кроме того, этот режим позволяет более высокую интенсивность, которая при применении непрерывного ультразвука, может вызвать нежелательные эффекты. Более высокая интенсивность, вероятно, объясняет нетепловые эффекты, наблюдаемые при импульсной ультразвуковой терапии. Также благодаря пульсации пучка ультразвукового излучения механическое действие более четко выражено.

Таблица 1.1 Показательные параметры для импульсного ультразвука с частотой повторения импульсов 100 Гц.

Соотношение (="Коэффициент заполнения импульса")(мсек)	Период импульсов (мсек)	Пауза между импульсами (мсек)	Период повторения (мсек)
1: 5 ( = 2О%)	2	8	10
1:10 ( = 1О%)	1	9	10
1:20 ( = 5%)	0,5	9,5	10

Эффективная площадь излучения (ERA)

Эффективная площадь излучения излучателя (ERA) является важным параметром, определяющим интенсивность. Поскольку пьезоэлектрический элемент колеблется неоднородно, то ERA всегда меньше, чем геометрическая площадь излучателя.

Чтобы дать правильную индикацию интенсивности на аппарате, очень важно определить ERA, т. к. от этого зависит эффективная интенсивность. Правильная дозировка ультразвука частично зависит от площади, подвергаемой лечению и ERA, причина, по которой необходимо знать ERA. Поэтому, ERA необходимо измерять и точно определять.

Таблица 1.2 Таблица ERA для аппарата SONOPULS(R)

	ERA	Геометрическая площадь
1МГЦ	5,0 см2	6,2 см2
	0,8 см2	1,4 см2
ЗМГц	5,0 см2	6,2 см2
	0,5 см2	0,7 см2

1.3 СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЛУЧА

В ультразвуковом луче различают две площади:

n  ближнее поле: зона Френеля

n  дальнее поле: зона Фраунгофера

Ближнее поле характеризуется:

n  явлениями интерференции в ультразвуковом луче, которые могут привести к заметным изменениям интенсивности.

n  отсутствием расходимости, фактически имеется небольшая конвергентность ультразвукового луча

Дальнее поле характеризуется:

·  почти отсутствием явлений интерференции, так что звуковой пучок однороден, а интенсивность постепенно снижается с увеличением расстояния от преобразователя;

·  тем, что у ультразвукового луча больший диаметр. Этот размер зависит от типа звукового пучка (рассеивающий, либо коллимирующий [формирующий узкий параллельный пучок ультразвуковых лучей]);

·  более широким распространением звуковой энергии благодаря как расходимости, так и тому факту, что распределение интенсивности перпендикулярно продольной оси звукового пучка все больше принимает форму колокола (см. рис. 1.4).

Длина ближнего поля зависит от диаметра излучателя и длины волны. При обычном излучателе в 5 см2 ближнее поле составляет около 10 см в длину. При излучателе в 1 см2 ближнее поле составляет около 2 см в длину при 1 МГц.

При 3 МГц ближнее поле в три раза длиннее, т. к. длина волны пропорционально короче.

Поскольку глубокое воздействие ультразвука ограничено, терапевтическое влияние наблюдается главным образом в ближнем поле.

Необходимо помнить о том, что в зоне Френеля явления интерференции наблюдаются в ультразвуковом луче, что приводит к его неоднородности. Данные явления интерференции могут вызвать пики интенсивности в 5 — 10 раз выше, чем установленная величина — в некоторых случаях даже в 30 раз выше.

Это неоднородное поведение звукового пучка выражается в виде Коэффициента Неоднородности Луча (BNR).

Величина BNR

Теоретически BNR не может быть менее 4, т. е. всегда следует допускать пики интенсивности по меньшей мере в 4 раза выше установленной величины. Для качественно произведенных излучателей BNR составляет от 5 до 6 в зависимости от конструкции. Необходимо указывать BNR на излучателе.

В целях безопасности во время лечения излучатель всегда должен быть в движении, чтобы ультразвуковая энергия распределялась правильно. Нельзя допускать вращения излучателя в одном положении, так как пики интенсивности в звуковом пучке обычно расположены симметрично продольной оси излучателя (так называемая осевая симметрия). Вращение излучателя вызывает пики интенсивности в одном и том же месте, что приводит к передозировке.

С помощью подводного метода можно обойти ближнее поле, сохранив достаточное расстояние от тела (см. длину ближнего поля), в зависимости от размера излучателя. Тогда в воде будут наблюдаться явления интерференции ближнего поля. Недостатком при этом будет больший диаметр ультразвукового луча в дальнем поле, который вызывает уменьшение энергии на см2. Эти аспекты следует принимать во внимание при расчете дозы. При обычном применении ультразвуковой терапии не будет происходить полного отражения, поскольку граничный угол настолько велик, что он не должен превышаться при нормальных условиях.

Расходимость ультразвукового луча Расходимость ультразвукового луча наблюдается только в дальнем поле.

Расходимость определяется углом расхождения ( а ) (см. рис. 1.3) согласно формуле: sin a = 1.22 l /D, где: l = длина волны ультразвука D = диаметр излучателя.

Таблица 1.4 Углы расхождения при 1 и 3 МГц для различных излучателей.

	5 см2	1 см2
1 МГц	4,2°	9.3°
3 МГц	1,4°	3.1°

Ранее отмечалось, что ближнее поле короче для малого излучателя, поэтому расходимость происходит раньше и ультразвуковая энергия распределяется на большую область. Ясно, что расходимость ультразвукового луча будет явно меньше при 3 МГц.