Ультразвуковая терапия (стр. 3 )

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, НАБЛЮДАЕМЫЕ В СРЕДЕ

ПРИРОДА (УЛЬТРА)ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ

Ультразвуковая волна по своей природе продольная, т. е. направление распространения то же, что и направление колебания. Продольные волны требуют для распространения упругую среду. В принципе, каждая среда упругая за исключением вакуума.

Продольные упругие волны (звуковые волны) вызывают сжатие и расширение среды на половине пути длины волны (полуволне), что приводит к изменению давления в среде.

В этом контексте среда является как катализатором, так и тканями организма, в которых распространяется ультразвуковая энергия.

ДЛИНА ВОЛНЫ УЛЬТРАЗВУКА

Она выражается отношением: l х f= c, где: l = длина волны (м) f = частота (Гц) c = скорость распространения (метров/секунду) Поскольку частота аппарата установлена, а скорость распространения определяется средой, то длина волны также зависит от последней.

В мягких тканях и в воде длина волны при 1 МГц составляет около 1.5 мм, а в костной ткани — около 3 мм. Влияние на скорость распространения в тканях при 3 МГц незначительное. Таким образом, в мягких тканях линейное уменьшение длины волны составляет около 0.5 мм, а в костной ткани — около 1 мм.

Таблица 1.5. Исследование различной среды и ее скорости распространения (с), плотности (r) и длины волны (l) для ультразвука при частоте 1 МГц и 3 МГц.

Среда	с (м/сек)	r (кг/м3) х103	l (мм) 1 Мгц	l (мм) 3 Мгц
Алюминий	5100	2.7	5.1	1.7
Кровь	1566	1.0	1.57	0.52
Кровяной сосуд	153О	1.1	1.53	0.51
Костная ткань	3445	1.8	3.44	1.14
Кожа	1519		1.51	0.5
Хрящ	1665		1.75	0.58
Воздух при 20 °С	343	0.0012	0.34	0.11
Ткань сухожилия	1750		1.75	0.58
Мышечная ткань	1552	1.0	1,55	0.52
Жировая ткань	1478	0.9	1.48	0.49
Вода при 2О °С	1492	1.О	1.49	0.5

ПЛОТНОСТЬ СРЕДЫ

Плотностью среды (r) является параметр, выраженный в кг/м3. Вместе с удельным акустическим сопротивлением (Zs) он определяет сопротивление тканей звуковым волнам. Плотность среды также частично определяет скорость распространения (с).

Чем выше плотность среды, тем выше скорость распространения (см. Таблицу 1.5).

Величина плотности среды необходима для определения удельного акустического сопротивления и, следовательно, отражения.

УДЕЛЬНОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Zs)

Поскольку удельное акустическое сопротивление является параметром материала, оно зависит от плотности и скорости распространения: Zs = r х с.

Таблица 1.6.Удельное акустическое сопротивление

Среда Zs (кг/м2 х сек) х106

Алюминий 13.8

Кровь 1.6

Кость 6.3

Кровяной Сосуд 1.7

Гель около 1.8

Кожа около 1.6

Воздух 0.0004

Мышечная ткань 1.6

Жировая ткань 1.4

Вода (20 °С) 1.5

СЖАТИЕ И РАСШИРЕНИЕ СРЕДЫ

Среда (ткань) сжимается и расширяется при той же частоте, что и ультразвук, т. е. приблизительно 1 х 106 раз в секунду. Происходящее в результате изменение давления довольно большое. Например, при интенсивности в 1 Вт/см2 изменение давления составит примерно 1.7 бар (при 1 МГц и с = 1500 м/сек).

При длине волны 1.5 мм это означает градиент давления 3.4 бара на расстоянии 0.75 мм, учитывая тот факт, что точки высокого и низкого давления каждая в отдельности являются полуволной. При 3 МГц изменение давления больше, оно увеличивается пропорционально квадрату. Поэтому, можно предположить, что изменение давления увеличивается в 9 раз! Из-за ослабления звукового пучка изменение давления уменьшается с глубиной. Однако, благодаря интерференции в ближнем поле и отражению на различных границах, может произойти большое увеличение давления.

ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ ЗВУКА

Отражение ультразвука

Отражение происходит на границах между различными тканями. Количество отраженной энергии зависит от удельного акустического сопротивления (Zs) различной среды согласно формуле: R — количество отраженной энергии Данная формула применима к звуковому пучку при нормальном падении, где Zs,1 является удельным акустическим сопротивлением среды 1, а Zs,2 — удельным акустическим сопротивлением среды 2 на граничной поверхности, измеренной у излучателя.

На практике это означает, что отражение уменьшается по мере того, как разница между удельными акустическими сопротивлениями становится меньше. В организме существенное отражение наблюдается при переходах между тканью и костью (30%).

Удельное акустическое сопротивление излучателя практически тождественно удельному акустическому сопротивлению контактной среды (гель). Следовательно, между этими средами вряд ли будет какое-либо отражение. Теоретически, отражение между алюминием и контактной средой должно было быть около 60%.

Таблица 1.7 Обзор отражения при некоторых средних границах

Алюминий - воздух 100%

Алюминий - контактная среда 60%

Кожа - жировая ткань 0,9 %

Вода - жировая ткань 0,2 %

Жировая ткань - мышечная ткань 0,8 %

Мышечная ткань - костная ткань 34,5%

Кожа - воздух 100%

Преломление ультразвука

Помимо отражения ненормальное падение звуковых волн вызывает преломление звукового пучка согласно формуле: где:

c1 = скорость звука в среде 1

c2= скорость звука в среде 2

При n > 1 преломление происходит в направлении перпендикуляра.

Если n < 1, тогда преломление на расстоянии от перпендикуляра. Важно только последнее, из-за отклонения ультразвукового луча, когда достигается критический угол, и ультразвуковой луч начинает проходить параллельно границе между двумя средами. Скорость звука в различных тканях организма такова, что для обычного применения ультразвука не будет превышаться критический угол. Отражение и преломление не будет заметно отличаться при 1 и 3 МГц, т. к. плотность различных тканей постоянна и влияние звуковой частоты на скорость распространения будет незначительным.

РАССЕЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Рассеяние ультразвука в теле происходит благодаря двум явлениям: — расходимости в дальнем поле — отражению Ультразвуковой луч может распространяться в теле, главным образом, из-за отражения, поэтому действие может проявляться не только в направлении звукового пучка, но также за его пределами. Как отмечалось выше, отражение необходимо учитывать только в том случае, если материалы и/или вещества с высокой отражательной способностью, вроде металлов, воздуха и костной ткани, поместить в ультразвуковой луч. Кроме этого, следует помнить о том, что ультразвук вряд ли может выйти из тела в результате отражения воздуха, которое, фактически, равно 100% (см. таблицу 1.7). Суммарная доза ультразвука, полученная организмом, превращается в другие виды энергии. Исключение составляет подводный метод, где ультразвуковая энергия может выйти из тела.

Если звуковой пучок попадает на костную ткань, то отражение доходит почти до 30%. Затем ультразвуковой луч ослабляется энергией поглощения, зависящей от плотности окружающих слоев ткани (например, мышечной ткани). Отраженная энергия снова поступает в первый слой ткани и снова ослабляется поглощением. В пограничном слое между кожей и воздухом происходит почти полное отражение и далее еще раз.

Ультразвуковой пучок отскакивает в пределах между костной тканью и воздухом.

Тоже самое, возможно, происходит с 70% звуковой энергии, распространяемой в костной ткани. Звуковой пучок заметно ослабнет в этой ткани по причине очень высокого поглощения ультразвуковой энергии.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Интерференция ультразвуковых волн происходит благодаря двум явлениям:

а) Интерференции в ультразвуковом луче в ближнем поле, ведущей к почти четырехкратному местному увеличению интенсивности в сравнении с величиной, установленной на аппарате (см. величину BNR).

Ь) Явлениям интерференции в результате отражения. Падающие и отраженные звуковые пучки могут накладываться друг на друга, что ведет к двум волновым движениям, которые могут ослаблять, либо усиливать друг друга. Интерференция, оканчивающаяся усилением, ведет к увеличению интенсивности звукового пучка.

На практике проблемы возникают только в том случае, если слой ткани, доходящий до кости, тонкий, либо он поглощает мало энергии. К таким случаям относятся лечение около области запястья, лодыжки, надколенника и подобных мест. В частности, при применении непрерывного ультразвука это явление вызывает раздражение надкостницы, что сопровождается ощущением тепла и/или боли. Это еще раз демонстрирует, как важно движение излучателя.

ПОГЛОЩЕНИЕ И ПРОНИКНОВЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

По мере того, как (механическая) ультразвуковая энергия проникает в ткани тела можно ожидать наступления биологического действия только в том случае, если энергия поглощается тканями. Из-за поглощения интенсивность звуковых волн уменьшится по мере их дальнейшего проникновения в ткани. Поглощение ультразвуковой энергии биологическими тканями различно. Коэффициент поглощения (а) используется как мера поглощения различных тканей. Поглощение зависит от частоты. Для низких частот поглощение тканей ниже, чем для высоких частот. Зависимость для всех тканей линейная, кроме кости, и составляет от 1 до 10 МГц.

Следовательно, всегда существует связь между частотой, поглощением и действием при глубине ультразвука. В сущности, коэффициент поглощения вместе с отражением определяют распространение ультразвука в теле.