Механическое и тепловое действие ультразвука на вещество: 24) Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.

Содержание

24) Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.

Ультразвук оказывает на вещество сложное действие: механическое, физико-химическое и тепловое.

Механическое действие УЗ на веществосвязано с деформацией микроструктуры вещества, происходящей вследствие поочередного сближения и разрежения его частиц, вызываемых УЗ волной.При достаточной интенсивности УЗ это может вызвать разрушение вещества. Важным свойством ультразвука является то, что он обусловливает интенсивное колебательное движение частиц жидкости ( в каждой точке фазы уплотнения чередуются с фазами разрежения среды). Иногда в такой жидкости происходят разрывы сплошности среды (кавитации) и в фазе разрежения образуются микрополости, которые быстро заполняются насыщенным паром окружающей жидкости.

Это, в частности, используется для разрушения оболочек растительных и животных клеток и извлечения из них биологически активных веществ.

Действием УЗ можно размельчить и диспергировать различные среды, что используется при изготовлении вакцин, эмульсий, аэрозолей и т.д.

В зависимости от условий воздействия и свойств cреды, УЗ может способствовать и обратным процессам:осаждению суспензий, коагуляции аэрозолей, очистке газов от взвешенных в них примесей.

УЗ ускоряет некоторые химические реакции, например, окисления и полимеризации.

На комплексном действии механических, тепловых и химических факторов основано биологическое действие ультразвука, который может вызвать гибель вирусов, бактерий и грибков, а при значительной мощности и мелких животных. При незначительной мощности УЗ повышает проницаемость клеточных мембран, активизирует процессы тканевого обмена.

УЗ-терапия

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.

УЗ-хирургия

УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая — с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.

Разрушение опухолей, Сваривание мягких тканей, Сваривание костей

УЗ-диагностика

Ультразвуковая диагностика — совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука

УЗ-методы позволяют осуществить визуализацию внутренних структур организма, а также исследовать движение биологических объектов внутри организма.

4. Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.

Ультразвук оказывает на вещество сложное действие: механическое, физико-химическое и тепловое.

Механическое действие УЗ на вещество связано с деформацией микроструктуры вещества, происходящей вследствие поочередного сближения и разрежения его частиц, вызываемых УЗ волной. При достаточной интенсивности УЗ это может вызвать разрушение вещества, в жидкости это приводит к кавитации- образованию микроскопических полостей ,которые заполняются парами жидкости ,а затем при сближении частиц захлопываются под большим давлением.

В зависимости от условий воздействия и свойств cреды, УЗ может способствовать и обратным процессам: осаждению суспензий, коагуляции аэрозолей, очистке газов от взвешенных в них примесей.

УЗ ускоряет некоторые химические реакции, например, окисления и полимеризации.

Ультразвук в настоящее время получил разнообразные применения.

В фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств используется способность ультразвука дробить тела ,помещенные в жидкость и создавать эмульсии

При лечении туберкулеза,бронхиальной астмы применяют аэрозоли различных лекарственных средств, полученных с помощью ультразвука

В медицине УЗ в различных диапозонах частот используется для терапевтического и хирургического лечения и диагностики

Метод лечения,при котором используются колебания 800-3000кГц называется ультразвуковой терапией

Для лечебных целей применяют аппараты,в которых электрический ток подается на пластинку излучателя = кварца или титанита бария .Пластинка под действием переменного электрического тока сжимается и разжимается. Движения пластинки через контактную среду (вода,вазелиновое масло, передаются на подлежащие ткани .УЗ в этих частотах распространяется в средах почти прямолинейным пучком ,что позволяет воздействовать им на ограниченный участок и проникает на глубину от 1 до 5-6 см.Это дает возможность использовать его для лечения заболеваний различных органов

В лечебной практике используют в основном малые дозы ультразвука, активизирующие внутриклеточные процессы в тканях (биосинтез белка, усиление активности ферментов и т.д.). Терапевтические дозы ультразвука оказывают выраженное болеутоляющее, сосудорасширяющее, противовоспалительное действие.

Под влиянием ультразвука в зоне воздействия повышается проницаемость кожи и слизистых оболочек, что способствует введению в ткани через кожу нанесенных на нее лекарственных средств. Этот метод называется фонофорезом.

Существует аппарат для ультразвуковой сварки и резки костей

Способность ультразвуковых волн без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от уплотнений и неоднородностей используется в диагностических целях. Ультразвуковая диагностика дополняет основной метод исследования внутренних органов – рентгенодиагностику, а иногда имеет преимущества над ней.

Высокая чувствительность ультразвуковой аппаратуры позволяет получить эхограмму мягких тканей, последить за движущимися объектами, например, за частотой сердечных сокращений, скоростью кровотока в крупных сосудах.

Биологическое действие ультразвука, т.е. изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов.

Механическое и тепловое действие ультразвука

Ультразвук оказывает на вещество сложное действие: механическое, физико-химическое и тепловое.

Время жизни полости (пузырька ) очень мало, так как в волне вслед за разрежением быстро наступает сжатие и давление на пузырек со стороны окружающей жидкости резко возрастает (оно может превышать атмосферное давление в несколько тысяч раз), что приводит к схлопыванию полости и образованию сильных ударных волн. Это, в частности, используется для разрушения оболочек растительных и животных клеток и извлечения из них биологически активных веществ.

УЗ ускоряет некоторые химические реакции, например, окисления и полимеризации.

Разрушение опухолей, Сваривание мягких тканей, Сваривание костей

Ультразвук может оказывать на ткани организма механическое, тепловое и химическое действие. Терапевтический эффект достигается совместным действием этих факторов.

Тепловое действие ультразвука в жидкостях и в мягких тканях обусловлено тем, что в таких средах, охваченных ультразвуковыми колебаниями, соседствует множество тонких слоев вещества, имеющих большие отличия в скорости их движения, вплоть до движения соседних слоев в противоположных направлениях. Поэтому силы вязкого трения между слоями могут быть весьма существенны. Механическая работа этих сил во всем объеме «озвученной» среды и есть тепловая энергия, выделенная в этом объеме.

Аналогия: в холодную погоду мы интенсивно трем руки.

Чем больше частота ультразвука, тем больше перепады скоростей в слоях вещества, больше коэффициент его ослабления, больше тепловой эффект.

Обращаем Ваше внимание на значительный, иногда опасный тепловой эффект, возникающий на границах раздела тканей с большой разностью волновых сопротивлениях. В таких случаях коэффициент отражения ультразвукового луча близок к единице , и интенсивность отраженного луча почти равна интенсивности падающего луча. Поэтому при наложении отраженного луча на падающий, благодаря одинаковости фаз колебаний в этих лучах, результатом их интерференции становятся колебания почти что удвоенной амплитуды. Энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, так что в областях, примыкающих к границам раздела с большим коэффициентом отражения, тепловое действие ультразвука наиболее интенсивно. При вводе ультразвука в организм обсуждаемое усиление теплового действия происходит вне организма, и оно не ощутимо. А вот на выходе из организма оно может быть вполне ощутимо. Например, если ультразвуковой излучатель прислонить к мокрой ладони, то вскоре с тыльной стороны ладони появится ощущение, похожее на боль ожога.

В онкологии: ультразвуковая гипертермия – локальный контролируемый нагрев нежелательных структур до температуры 41 -44 О С без перегрева соседних тканей – может достигаться фокусировкой ультразвукового потока, либо пропусканием нескольких потоков излучения неопасной интенсивности, с их пересечением на нежелательных структурах, где их тепловое действие суммируется.

Терапевтическая процедура, основанная на механическом действии ультразвука – микромассаж. Ультразвук создает в тканях высокочастотные локальные пульсации давления. На любом расположенном вдоль УЗ-луча отрезке протяженностью, равной длине волны, сосуществуют: зона повышенного давления (зона сжатия) и зона пониженного давления (зона растяжения). Спустя каждые полпериода зоны повышенного давления становятся зонами давления пониженного, и наоборот. Длина волны ультразвука в мягких тканях при частоте 1 МГц равна 1,5 мм. Так что зоны сжатия и расширения — действительно зоны локальные, клеточного и субклеточного масштаба. Результаты подобных пульсаций давления зависят от их амплитуды, то есть от интенсивности ультразвука. При низкой интенсивности, не более 1 Вт/см 2 , увеличивается проницаемость клеточных мембран, улучшаются процессы тканевого обмена, и в целом достигается положительный эффект. Малые по интенсивности и длительности терапевтические УЗ-дозы оказывают болеутоляющее, сосудорасширяющее, рассасывающее действие, стимулирующее восстановление поврежденных органов и тканей.

Малыми дозами УЗ-излучения осуществляют массаж сердца и легких, мышечных тканей.

При малых интенсивностях ультразвука микромассаж сопровождается слабым локальным нагревом тканей на доли градуса. Это, как правило, дополнительно стимулирует нормальное протекание физиологических процессов. Но нужна осторожность: при длительном воздействии может наступить перегрев тканей и от ультразвука малой интенсивности. Перегрев возможен, если локальное ежесекундное тепловыделение превосходит ежесекундный теплоотвод, и это длится достаточно долго.

Ультразвуковые ингаляторы – простые и компактные устройства, в которых ультразвук создает из лечебного раствора тонкодисперсный туман, вдыхаемый при ингаляции.

Фонофорез (сонофорез, ультрафонофорез) — это терапевтический метод воздействия на организм, в котором так же сочетаются эффекты механического и теплового действия ультразвука. Он применяется для введения в ткани организма лечебных или косметических препаратов. Вводимый препарат смешивается с контактным гелем для ввода ультразвука в ткани организма. Ультразвуковой излучатель может работать в постоянном режиме (интенсивность порядка 0,5 — 2 Вт/см 2 ), либо в импульсном (0,1 — 3 Вт/см 2 ). При импульсном режиме тепловой эффект воздействия меньше, и это важно для предотвращения перегрева тканей.

Фонофорез аналогичен электрофорезу. При электрофорезе лекарственный препарат, имеющий вследствие диссоциации ионную структуру, внедряется в ткани организма под действием электрического поля. При фонофорезе ультразвук внедряет в ткани хоть ионы, хоть нейтральные частицы.

Кавитация – явление возникновения пустот в виде пузырьков, заполненных газом или насыщенным паром, в жидкости, имеющей пониженное давление.

В зонах разрежения в жидкости возникают зоны пониженного давления, провоцирующие появление в жидкостях деформации растяжения. А на растяжение жидкости работать не умеют: недостаточно велики силы межмолекулярных взаимодействий. Поэтому в зонах пониженного давления жидкость может разорваться, и в ней могут образовываться микрополости, заполненные насыщенным паром. Возникает явление кавитации.

Cavity (лат.) – пустота. Размеры кавитационных пузырьков невелики: доли миллиметра.

Кавитационные пузырьки, возникнув в зоне пониженного давления, оказываются, спустя полпериода, в зоне повышенного давления, и происходит их схлопывание – сокращение до нулевых размеров. Заполняющий их насыщенный пар опять становится жидкостью. При этом происходит сближение его диаметрально противоположных поверхностей с очень большой, и все возрастающей скоростью, и гидравлический удар – резкий всплеск давления, который способен разрушать не только клетки или микроорганизмы, но и металлы. Есть даже способ контроля интенсивности кавитации по количеству дырочек, возникающих в металлической фольге за одно погружение в жидкость.

В зонах возникновения кавитации существенно возрастает коэффициент поглощения УЗ-излучения, интенсивно идут процессы перемешивания и перехода энергии механических колебаний в тепловую.

Кавитационный режим действия ультразвука на ткани организма – в основе эффективной методики безоперационной ультразвуковой липосакции. В этой методике разрушение жировых тканей производится низкочастотным ультразвуком (20 – 100 кГц).

В фармацевтических производствах кавитационное дробление и перемешивание разнородных препаратов применяется для получения лечебных эмульсий, которые другими способами не изготовить.

Ультразвуковые скальпели в хирургии. Наложение УЗ-колебаний на хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает стерилизующее и кровоостанавливающее действие. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20 -50 кГц составляет 20-50 мкм. Подобные скальпели позволяют проводить операции в дыхательных органах без вскрытия грудной клетки, операции в пищеводе и на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ-скальпель в вену, можно разрушить в ней холестериновые утолщения.

В другой разновидности УЗ-скальпелей ультразвук накладывается непосредственно на разрезаемые ткани, Происходит кавитационная деструкция тканей под действием ультразвука высокой интенсивности, достигаемой его фокусировкой на зоне разреза.

Аналогия: в лазерном скальпеле луч тоже фокусируется на зоне разреза.

В урологии механическое действие ультразвука используется для дробления камней в мочевых путях; тем самым и в этих обстоятельствах отпадает необходимость в операции.

При сложных переломах может применяться ультразвуковой остеосинтез. Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), который под действием ультразвука быстро полимеризуется (химическое действие ультразвука). После УЗ-облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.

Физическое действие ультразвука сводится к трем основным проявлениям ( эффектам ): тепловое, механическое и физико-химическому действие.

1. Тепловое действие — это явление нагревания среды при прохождении через неё ультразвука.

Обусловлено поглощением УЗ средой в результате чего механическая энергия УЗ волны переходит в тепловую.

Так как поглощение УЗ различными средами не является полным, то и выделение тепла не будет одинаковым. При I_УЗ = 5 Вт/см 2 и t = 1 мин. температура костного мозга повышается на 5 0 С, а мышц всего лишь на 1 0 С.

Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости. Ткани со сложной структурой более чувствительны, чем однородные. Локальный нагрев ткани на доли градуса увеличивает жизнедеятельность биологических объектов, интенсивность процессов обмена. Длительное воздействие приводит к перегреву.

Механическое действие – обусловлено переменным давлением, возникающим в среде при прохождении УЗ. При распространении УЗ в жидкости в момент разряжения происходит микроразрыв жидкости, то есть образуется полость ( кавитационный пузырек ), в который устремляются пары жидкости. В момент сжатия происходит захлопывание пузырьков. При этом создаются кратковременные (t  10 -6 с) импульсы давления (  10 8 Па). Они способны разрушить весьма прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатным нагревом газа в пузырьке и его ионизацией. Кавитация начинается при интенсивностях I  8 кВт/м 2 . Перепады давления приводят в колебательное движение частицы среды, что обуславливает его «дробящее» действие и более равномерное распределение частиц по всему объёму ( используется при приготовлении эмульсий и суспензий ). Эффект возникновения акустических потоков носит специальное название: звуковой ветер. С его помощью перемешиваются жидкости.

Физико-химическое действие – тесно связано с явлением кавитации, так как в кавитационных пузырьках кроме больших давлений возникают свободные радикалы и атомарный водород. Это приводит к тому, что под действием УЗ могут ускоряться различные химические процессы (звуковая химия).

5. Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека.

Физически тело человека представляет собой неоднородную среду с участками различной плотности и акустических свойств, разделёнными фазовыми поверхностями на различные области.

При прохождении ультразвука в теле человека имеются следующие особенности:

1) Скорость ультразвука в тканях тела человека зависит от вида ткани и тканевой среды. Её значения (м/с) для отдельных тканей следующие:

2) Ткани тела человека сильно рассеивают и отражают ультразвук. Причина — морфологическая неоднородность тканей, наличие множественных поверхностей раздела, различия в акустических сопротивлениях. Например, акустическое сопротивление черепа и крови различаются в 3.5 раза.

3) В тканях тела человека происходит сильное ослабление ультразвуковой волны вследствие её поглощения. Пример: значение коэффициента поглощения черепа в 14 раз больше коэффициента поглощения мозга.

Ультразвук и биологические системы

Телефон и факс:+7 (3854) 43-25-81

Как было показано в предыдущих разделах, при распространении интенсивных ультразвуковых колебаний (интенсивностью более 1…2 Вт/см²) в жидкости наблюдается, обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией. Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, приводящие к активной локальной турбулизации среды. После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются так-же локальные повышения температуры и электрические разряды. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3…1 Вт/см².
Выявлено, что в диапазоне частот (5…10)×10³ Гц отмечаются такие физико-химические явления, как разделение молекул и ионов с различной массой, искажение формы волны, появление переменного электрического поля, капиллярно-акустического и теплового эффекта, активация диффузии. Здесь проявляются сопутствующие эффекты, влияющие на процессы экстракции из лекарственного, растительного и животного сырья, наблюдается усиление процессов гиперфильтрации, проницаемости клеточных мембран, становятся возможными стерилизация термолабильных веществ, фонофорез, получение концентрированных ингаляционных аэрозолей.
Как известно, механическое действие ультразвука приводит к размельчению и диспергированию частиц. Механически работа ультразвука усиливает диффузию растворителей в биологические ткани.
Физико-химическое действие ультразвука на биологические объекты, прежде всего, связано с морфологией их поверхности. Ультразвук усиливает в тканях проницаемость клеточных мембран и диффузные процессы, изменяет концентрацию водородных ионов в тканях, вызывает расщепление высокомолекулярных соединений, ускоряет обмен веществ. При умеренной и небольшой интенсивности ультразвука в живых тканях явления кавитации практически не выражены и наблюдается лишь пульсация естественных пузырьков в биологических жидкостях и усиление внутриклеточных и внеклеточных микропотоков жидкости, прекращающихся при отключении генератора ультразвука.

Помимо освобождения механической энергии, образование кавитационных полостей сопровождается возникновением электрических зарядов на пограничных поверхностях, вызывающих люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды распадающихся на свободные гидроксильные радикалы и атомарный водород (Н₂O = НО + Н).
В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды в тканях организма крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука [20].
Ультразвук изменяет скорость процессов на границе газ-жидкость. Действие ультразвука повышает растворимость азота в воде на 12%. И в то же время ультразвуковое облучение растворов приводит к их дегазации.
Тепловое действие ультразвука происходит вследствие превращения акустической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическими явлениями, вызывающими так называемый эффект пограничных поверхностей. Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе разделения двух сред. Особенно это сказывается на тепловом эффекте, который может усиливаться в несколько раз.
Биологическое действие ультразвука на клетки и ткани определяется главным образом интенсивностью ультразвука и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов [19]. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1…2 Вт/см²) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки). Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).
Первичный эффект действия ультразвука проявляется влиянием на тканевые и внутриклеточные процессы; изменение процессов диффузии и осмоса, проницаемости клеточных мембран, интенсивности протекания ферментативных процессов, окисления, кислотно-щелочного равновесия, электрической активности клетки. В тканях под действием ультразвука активируются обменные процессы, увеличивается содержание нуклеиновых кислот, и стимулируются процессы тканевого дыхания. Под влиянием ультразвука повышается проницаемость стенок сосудов.
В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.
В настоящее время, ультразвук – один из методов интенсификации биокатализа. Ультразвуковое облучение ассоциируется с повреждением клеток, но доказаны и благотворные последствия озвучивания на усиление биокатализа и жизнедеятельность живых клеток.
Оксиление холестерола клетками Rhodococcus erythropolis, дегидрогенирование кортизола неподвижными клетоками Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом воздействии на частоте 20 кГц. Значительное повышение скорости биотрансформации наблюдалось при облучении клеток в течение 5 секунд каждые 10 минут мощностью 2,2 Вт/см². Ультразвук повышал массобмен через клеточные мембраны.
Кавитация в суспензиях клеток. При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсации пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазмической мембраны и наличия цитоскелета.
Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, в биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ и фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран.
Воздействие ультразвука на белки. Известно, что в ультразвуковом поле происходит изменение структуры, формы и функции молекулы белка. Направление этих изменений зависит от строения белковых и концевых групп белка и свойств газа, содержащегося в водном растворе.
Установлено, что эффект воздействия ультразвука на биомакромолекулы (нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, липопротеиды и другие) зависит от природы газа, присутствующего в озвучиваемом растворе исследуемых веществ. В присутствии кислорода происходит процесс деградации биомакромолекул, вызывающий угнетение их биокаталитической активности. Данные процессы сопровождаются снижением вязкости растворов этих веществ. В присутствии водорода наблюдается увеличение молекулярной массы биомакромолекул при сохранении их нативных свойств, в частности таких белков, как сывороточный альбумин, трипсин и пепсин.
Воздействие ультразвука на ферменты. Выявлено, что изменения ферментов при ультразвуковом облучении обусловлены не только структурой этих белков, но и природой присутствующего газа. В связи с этим ультразвук не всегда оказывает на них инактивирующее действие. Инактивация ферментов при озвучивании наблюдается в том случае, если этот процесс происходит в присутствии кислорода; в среде, насыщенной водородом, инактивация не происходит. Это установлено при ультразвуковой обработке таких ферментов, как трипсин, пепсин, тирозиназа и других. Некоторые ферменты, например каталаза, вообще не инактивируются ультразвуком. Оксидазы более чувствительны к воздействию ультразвука, в то время как редуктазы, каталазы и амилазы обладают достаточной устойчивостью.
Стерилизующий эффект ультразвука обусловлен разрушающим воздействием ультразвуковых колебаний на микроорганизмы, что позволило использовать ультразвук для стерилизации и дезинфекции. Так, например, стерилизация молока при озвучивании в течение 15…60 секунд задерживает его скисание на 5 суток, при этом витамины в молоке сохраняются. В 1 см³ молока, стерилизованного ультразвуком, содержится в среднем 18 КОЕ, в то время как после обычной пастеризации в течение 1 часа в 1 см³его остается около 3000 КОЕ.
Механизм стерилизующего действия ультразвука весьма сложен и раскрыт не полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором. Явление кавитации возникает в первую очередь там, где прочность жидкости наименьшая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость. При образовании на поверхности клетки кавитационного пузырька в момент его уменьшения происходит как бы втягивание структуры стенки в полость каверны. В последующей фазе при захлопывании каверны возникает мощный гидродинамический удар, достигающий десятков МПа.
Выявлены положительные результаты дезинфекции воды посредством ультразвуковых колебаний; в течение 5 минут удается достигнуть полной стерилизации воды без применения каких-либо химических реагентов. Отмечается также положительный эффект применения ультразвуковых колебаний для стерилизации консервов и соков.
Выяснено, что при действии ультразвука повышается чувствительность микроорганизмов к дезинфицирующим веществам. Стерилизующий эффект при обработке водных взвесей бактерий кишечной палочки (Escherichia coli), которые предварительно подвергались действию ультразвука, был достигнут при значительно меньших концентрациях хлора, формалина и других дезинфицирующих веществ. Это обусловлено изменением («расшатыванием») макромолекулярных структур, входящих в состав оболочки озвучиваемых микроорганизмов, что приводит к нарушению проницаемости оболочек и мембран живых клеток.
Почти все микроскопические растения и организмы погибают, если подвергнуть их действию ультразвука высокой интенсивности. Этот факт в настоящее время рассматривается как альтернативный, безопасный путь к очищению воды и продуктов питания.
Разрушаются ультразвуком кишечная (Escherichia coli), брюшнотифозная (Salmonella typhi), дифтерийная (Corynebacterium diphtheriae), сенная (Bacillus subtilis) палочки, столбняка (Tetanus bacillus), сальмонеллы (Salmonella), кокки (Staphylococcus), трипаносомы (Trypanosoma bacillus), трихомонады (Trichomonas), возбудитель тифа (Typhus recurrens) и др. Ультразвук высокой интенсивности оказывает разрушающее действие на вирусы табачной мозаики (Tobaco mosaic virus), энцефалита (Encephalitis virus), сыпнотифозные, гриппа (Influentia). Бактериофаги больших размеров также чувствительны к действию ультразвука. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к воздействию ультразвука проявляют различные штаммы туберкулезных палочек (Tuberculum bacillus).
Cтерилизующее действие ультразвука на микроорганизмы проявляется на частотах 20 кГц и выше, при интенсивности более 0,5 Вт/см² в кавитационном режиме облучения.
Применение ультразвука возможно для стерилизации лекарственных препаратов, приготовленных как в заводских, так и в аптечных условиях. В аптечных условиях, применяя ультразвук частотой до 490 кГц и интенсивностью до 20 Вт/см² в течение 5 минут, достигали полной стерилизации глазных капель: 0,25%-ного раствора сульфата цинка, 1%-ных растворов дионина, платифиллина гидротартрата, солянокислого пилокарпина. Анализ приготовленных растворов показал сохранение подлинности и количественного содержания лекарственных веществ в растворах до и после ультразвукового воздействия.
Известно, что высокую степень микробной обсемененности имеет лекарственное сырье, в особенности растительное. Поэтому настои, отвары и слизи в аптеках сохраняются не более 2 суток, так как после этого срока может бурно развиться микрофлора. Ультразвук определенных частот и интенсивности вызывает эмульгирование двух несмешивающихся жидкостей и одновременно стерилизацию обращенных эмульсий. Если же возникает необходимость простерилизовать готовые эмульсии ультразвуком, то экспозицию озвучивания по сравнению с озвучиванием суспензии следует уменьшить до 5…10 мин при интенсивности до 5…10 Вт/см² независимо от частоты ультразвука. Одновременное использование антисептиков и ультразвуковой обработки позволяет снизить концентрацию антисептиков в 10…50 раз в лекарственных формах.
В настоящее время делаются попытки стерилизации большой группы жидких лекарственных форм с помощью ультразвука различных частот и интенсивности в сочетании с некоторыми антимикробными препаратами. Ионы серебра, меди, цинка, находящиеся в растворе в концентрациях, не поддающихся количественному определению («следы»), в комбинации с ультразвуком (интенсивностью 0,3…0,5 Вт/см² временем облучения 15…30 мин) проявляют олигодинамическое воздействие на всю микрофлору, которая находится в лекарственной форме. Активность ионов металлов в отношении, например, грибов снижается в ряду Ag+, Hg₂+, Cu₂+, Cd₂+, Cr₂+, Ni₂+, Pb₂+, Co₂+, Zn₂+, Fe₂+, Ca₂+. Соли тяжелых металлов в большой концентрации коагулируют белки, в малых – являются блокаторами меркаптогрупп.
При ультразвуковой обработке водных суспензий микобактерий частотой 20 кГц, происходит разрушение 93% микобактерий, а при высокочастотном ультразвуковом воздействии (612 кГц) – 35,5%.
Ультразвуковой капиллярный эффект – явление увеличения глубины и скорости проникновения жидкости в капиллярные каналы под действием ультразвука (по сравнению с глубиной и скоростью, обусловленных только капиллярными силами). Открытие ультразвукового капиллярного эффекта принадлежит белорусскому ученому академику Е.Г. Коновалову (1961) [46,47]. В его эксперименте использовались стеклянные трубки с диаметром 2 мм, имевшие входной рупор. При нормальном падении волн на отверстие рупора в трубке наблюдался дополнительный подъем уровня жидкости (сверх высоты капиллярного уровня), пропорциональный силе звука. В серии работ Е.Г. Коновалова обнаружено, что дополнительный подъем под действием ультразвука линейно растет при повышении температуры и увеличении диаметра. Максимальная высота и скорость подъема наблюдались при контакте капилляров с поверхностью излучателя. Исследования позволили полагать, что ультразвуковой капиллярный эффект обусловлен ударами кумулятивных струй или в упрощенном варианте давлением, возникающим при захлопывании кавитационных пузырьков около устья капилляра. Подобно ультразвуковому капиллярному эффекту известно явление «обратного» ультразвукового капиллярного эффекта, нашедшего широкое применение, в том числе и в медицине (Педдер В.В, 2009) [49].
Влияние ультразвука на развитие черенков. В Ботаническом саду Одесского университета изучали влияние ультразвуковых колебаний на возможность ускорения корнеобразования и увеличения выхода укорененных черенков роз (Rosa L.) [48]. Черенки нарезали из средней части однолетних полуодревесневших побегов. Связанные в пучки черенки помещали в ванну, дном которой служила излучающая пластинка, после чего ванну заполняли водой. Опытные черенки озвучивали в течение 15, 30, 45 секунд, 1, 3, 5, 12 и 20 минут при интенсивности 1 Вт/см² и частоте колебаний 22 кГц, контрольные – выдерживали в водной среде. Для укоренения использовали смесь листовой земли, чернозема и речного песка в соотношении 2:2:1. Результаты опыта показали, что у всех сортов обработка в течение трех минут увеличивает укореняемость и ускоряет корнеобразование. Срок укоренения черенков в опыте составил 15 дней, в контроле 28 дней. Под действием ультразвука интенсивность трансприрации у опытных растений по сравнению с контролем увеличивалась на 20…25%. Применение ультразвука позволяет проводить черенкование без специальных туманообразующих установок 2…3 раза в год.

Мы в социальных сетях:

© 2021, ООО «Центр ультразвуковых технологий»
Любое использование материалов сайта возможно лишь с разрешения правообладателя и только при наличии ссылки на www.u-sonic.ru

Создание сайта — Mitra

Ультразвуковая терапия | ЛРЦ «Диагностика плюс»

Ультразвуковая терапия — терапевтический метод, при котором с лечебной целью используют механические колебания частотой более 20кГц. Для ультразвуковой терапии характерно многообразие механизмов терапевтического воздействия. Ультразвук оказывает на целевые области механическое, тепловое и физико-химическое воздействие. Механическое действие вызывает микровибрацию, «микромассаж» тканей, что приводит к изменению функционального состояния клеток, усиливаются процессы диффузии и осмоса, повышается проницаемость клеточных мембран. Тепловое действие связано с переходом механической энергии в тепловую и с повышением интенсивности обменных процессов в целевых тканях. Физико-химическое действие ультразвука является результатом механического и теплового, в его ходе повышается активность многих ферментов, интенсивность обменных процессов в тканях, увеличивается синтез биологически активных веществ.
При правильной дозировке ультразвук способен оказывать болеутоляющее, противовоспалительное, спазмолитическое, рассасывающее действие. Также, под воздействием ультразвуковой терапии ускоряются процессы регенерации, улучшается проводимость импульсов по нервным волокнам, повышается интенсивность кровообращения в области воздействия.
Ввиду своей эффективности и широты спектра воздействия метод ультразвуковой терапии показан при большом количестве заболеваний опорно-двигательного аппарата, лор-органов, периферических нервов, органов дыхания, пищеварения, последствиях травм и повреждений опорно-двигательного аппарата, келоидных рубцах, трофических язвах и многих других состояниях. Также ультразвуковые методы находят широкое применение при решении различных косметологических проблем.
Из-за выраженного действия физических факторов при ультразвуковой терапии она противопоказана при беременности, злокачественных образованиях или подозрении на них, выраженных органических поражениях центральной нервной системы, заболеваниях крови, наличии металлоконструкций в области воздействия, имплантированном ЭКС, некоторых других заболеваниях.
Фонофорез (сонофорез) это частный метод ультразвуковой терапии, при котором при помощи ультразвука вводятся различные лекарственные вещества. Метод обладает рядом преимуществ
–   сочетание действия ультразвука и лекарственного вещества увеличивает эффективность обоих факторов
–   безболезненность
–   действие вводимого лекарства продолжается длительное время после процедуры
–   ультразвук способствует значительно более глубокому, целевому и полному проникновению лекарственного вещества к поврежденным тканям
Противопоказания к проведению фонофореза аналогичны таковым при ультразовуковой терапии, но также включают в себя индивидуальную непереносимость используемого лекарственного вещества.
Назначение ультразвуковой терапии и фонофореза должно быть взвешенным и правильно дозированным, в чем Вам помогут специалисты нашего центра.

параметры, виды волн, затухание и отражение

Дмитрий Левкин

Ультразвук — механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

где f – частота, Гц,
T – период, с

Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

где λ – длина волны, м,
с – скорость звука, м/с

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

где c_l – скорость звука для продольных волн, м/c,
E – модуль упругости, Па,
μ – коэффициент Пуассона,
ρ – плотность, кг/м³

Для поперечных волн она определяется по формуле

где c_t – скорость звука для поперечных волн, м/с,
G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

где р — амплитуда звукового давления, Па
v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
ρ — плотность среды, кг/м³
с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м². В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10^-12 Вт/м² до сотен кВт/м² в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал	Плотность, кг/м³	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	Акустический импеданс, 10³ кг/(м²*с)
Акрил	1180	2670	—	3,15
Воздух	0,1	330	—	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	—	1,480

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r², амплитуда волны убывает пропорционально r ^-1, а для цилиндрической волны — пропорционально r ^-1/2.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна e^-δr, а интенсивность – e^-2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ – коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

где α – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
L – расстояние, м,
p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

где β – коэффициент затухания от времени, 1/с,
T – время, с,
p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

где A₁ – амплитуда первого сигнала,
A₂ – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м^-1. Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 — основание натуральных логарифмов или число непера).

1 Нп/м = 8,68 дБ/м

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

где Z – волновое сопротивление, кг/(м²с),
ρ – плотность, кг/м³,
с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
Z₁ – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м²с),
Z₂ – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м²с)

где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z₁>Z₂, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м².

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

где N – длина ближней зоны, м,
D – диаметр излучателя, м,
λ – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Библиографический список

Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.

Фонофорез в Уфе

Фонофорез — это метод физиотерапии, основанный на сочетании воздействия ультразвуковой волны и лекарственного или косметического средства. Ультразвуковые волны сами по себе вызывают механические колебания среды, оказывая массажирующее влияние на клетки. При этом повышается кровообращение и лимфодренаж, запускаются обезболивающие, противовоспалительные процессы и регенерация тканей. Все эффекты от воздействия ультразвука намного усиливаются введением в кожу лекарственных средств путем фонофореза, при этом присоединяется терапевтическое действие самого препарата. Таким образом, мы добиваемся поставленных целей эффективным и безопасным методом, который не требует реабилитационного периода, является бескровным, хорошо переносимым воздействием на ткани.

Принцип воздействия

Фонофорез — это совместное воздействие ультразвука и лекарственного вещества, введенного в организм с его помощью. Ультразвук способствует высокочастотным колебаниям среды, причем частота колебаний влияет на глубину проникновения. С одной стороны это вызывает микромассаж клеток, что увеличивает проницаемость клеточных мембран и способствует проникновению лекарственных и косметических средств внутрь клетки, с другой стороны на границе жидких, гелеобразных и плотных сред тканей организма происходит выделение тепла. Это способствует усилению кровообращения и потребления тканями кислорода, а также усилению синтеза коллагена.

Таким образом, достигается противовоспалительный и омолаживающий эффекты. При фонофорезе лекарственное вещество проникает внутрь кожи через выводные протоки потовых и сальных желез. Нужно примерно 60 минут для того, чтобы препарат попал в кровь. В тканях он может находиться до 2-3 суток.

Преимущества

Метод фонофореза имеет ряд неопровержимых преимуществ. Эта процедура является единственно приемлемой для устранения сухости и тонуса чувствительной кожи, которая плохо реагирует на механическое и химическое воздействия. При воспалительных процессах в коже потенцировать действие противовоспалительных медикаментов может только такое же действие ультразвука.

Фонофорез незаменим в послеоперационном периоде, когда на видимых местах остаются отеки, которые деформируют лицо и продлевают период реабилитации. Введение таким образом гормональных гелей способствует рассасыванию отека и исключает системное воздействие препарата. Стимулируя синтез коллагена и метаболизм клеток, фонофорез вызывает размягчение и рассасывание рубцов. Бесспорным плюсом методики является ее умеренная стоимость, отсутствие контакта с кровью и быстрая реабилитация.

Задать вопрос
или записаться
онлайн

Комплексные программы

В косметологии достаточно популярной программой является применение фонофореза в послеоперационном периоде с целью усиления лимфодренажа или профилактики патологического рубцевания. Процедуры фонофореза проводятся через 2-3 недели после оперативного вмешательства. Курс составляет 10-12 процедур, периодичностью 1 раз в 2 дня.

С целью омоложения фонофорез применяют в любых сочетаниях, это может быть как чередование с профессиональными уходами, так и проведение процедур между сеансами мезотерапии и биоревитализации.

Курс фонофореза при угревой болезни может предшествовать аппаратному световому методу лечения акне или химическим пилингам.

В случае коррекции целлюлита постоянной является пропаганда здорового образа жизни и питания, а также необходимости физических нагрузок. Один раз в 7-10 дней проводится аппаратное воздействие с последующим мануальным массажем, в промежутке между липомоделирующим действием аппарата проводят 1-2 процедуры фонофореза.

Показания для проведения

Сухость кожи, синдром «усталой кожи».
Изменения подкожножировой клетчатки (целлюлит).
Рубцы, растяжки.
Послеоперационная отечность тканей.
Гематомы.
Болезненность в обрабатываемой зоне.
Местные нарушения кровообращения.
Местный воспалительный процесс.
Угревая болезнь.

Противопоказания

Онкологические заболевания в анамнезе.
Невралгии, паралич лицевого нерва.
Ранний послеоперационный период.
Беременность на ранних сроках.
Тромбофлебит вен нижних конечностей при работе в смежной зоне.
Острые инфекционные заболевания.
Внутриматочные спирали при работе в зоне проекции.
Желчекаменная и мочекаменная болезнь при работе в зоне проекции.

Побочные явления

Фонофорез гипотетически может вызвать покраснение кожных покровов при неправильном соблюдении протокола процедуры. Передозировать препараты практически невозможно, учитывая гелевую форму и достаточный защитный барьер, создаваемый кожей. Процедура фонофореза относится к одной из самых безопасных из-за отсутствия побочных эффектов, но эту безопасность может гарантировать только высокопрофессиональный подход врачей центра.

Лечебный эффект

Эффект от фонофореза состоит из суммарных эффектов действия ультразвука и используемого лекарственного или косметического средства. Ультразвук вызывает микромассаж клеток, что увеличивает проницаемость их мембран, изменяет кислотно-щелочной баланс. Выделение тепла при воздействии ультразвуком повышает местную температуру и активирует кровообращение, что увеличивает приток кислорода, повышает обмен веществ и синтез коллагена. Действие вводимого вещества подбирается врачом в зависимости от показаний к проведению фонофореза. Это может быть противовоспалительное, сосудорасширяющее, обезболивающее, рассасывающее, антибактериальное и другие действия.

Описание процедуры

После предварительного очищения кожи на область воздействия наносится лекарственное или косметическое средство. Наиболее подходящей является гелевая форма. Врачом подбирается определенная частота колебаний в зависимости от поставленных целей. На препарат накладывается один слой марлевой повязки, по поверхности которой проводят фонофорез. Сеанс над одной зоной занимает 15-30 минут. После процедуры остатки препарата убираются салфеткой.

Возможные побочные биологические эффекты, связанные с ультразвуком | Анестезиология

Примерно 70% общего повышения температуры, связанного с ультразвуком, происходит в течение первой минуты воздействия, 23 но температура продолжает расти по мере увеличения времени воздействия.24,25 Продемонстрирована линейная зависимость между интенсивностью ультразвука и повышением температуры24. , 26 Относительное содержание белка в каждой ткани также является важным фактором, определяющим поглощение ультразвука и, следовательно, повышение температуры.Коэффициенты абсорбции тканей напрямую связаны с содержанием белка, тем самым обеспечивая суррогатный маркер потенциального повышения температуры ткани. Коэффициенты поглощения варьируются от 1 (кожа, сухожилие, спинной мозг) до 10 (кость) дБ / см МГц (таблица 2). Наибольшее повышение температуры в результате воздействия ультразвука происходит в кости из-за ее высокого коэффициента поглощения.27 Действительно, постоянное повышение температуры ткани в ответ на воздействие ультразвука неоднократно демонстрировалось in vitro , in vivo и in utero .24,26, -, 28 Неудивительно, что температура также увеличивается в тканях, прилегающих к кости 23, -, 25,28 Коэффициенты поглощения костной ткани плода зависят от возрастных изменений минерализации, плотности и теплоемкости, которые коррелируют с более высокая скорость повышения температуры одновременно с созреванием плода 24,25,29 В то время как интенсивность ультразвука и продолжительность воздействия вызывают прямое повышение температуры ткани, более широкая ширина луча снижает скорость и степень повышения температуры, позволяя распределять энергию по большей перфузии территория.28 Относительное клиническое значение тепловых эффектов, вызванных ультразвуком, может быть не очевидным, если только обнаженная ткань не опосредует критическую физиологическую функцию или если объем ткани не велик. Повышение температуры, вызванное ультразвуком, может быть особенно выражено в отсутствие или во время снижения перфузии.25,30 Таким образом, биологические ткани, включая хрусталик, роговицу, сухожилие и жировую ткань, могут быть особенно чувствительны к тепловому воздействию ультразвука.

Лечебный ультразвук при поражениях мягких тканей | Ревматология

Абстрактные

Терапевтический ультразвук — одно из наиболее распространенных методов лечения поражений мягких тканей, которые составляют большинство ревматических заболеваний.Хотя многие лабораторные исследования продемонстрировали ряд физиологических эффектов ультразвука на живые ткани, существует очень мало доказательств пользы при лечении повреждений мягких тканей. Это может быть связано с несколькими смешивающими факторами, включая технические переменные, сложность и разнообразие основных патологий при поражениях мягких тканей, методологические ограничения клинических исследований или истинное отсутствие эффекта. В этом обзоре подробно описаны научные основы использования терапевтического ультразвука при поражениях мягких тканей и существующие данные, касающиеся его клинического эффекта.

Прошло более 70 лет с тех пор, как первоначально были изучены взаимодействия между звуковыми волнами высокой («ультра») частоты и живой тканью, и было впервые предложено использование такой энергии в качестве формы терапии [1]. С тех пор ультразвук используется для лечения широкого спектра заболеваний, от кожных ран до злокачественных опухолей [2, 3]. Он стал одним из наиболее часто используемых методов лечения травм мягких тканей, и было подсчитано, что с его использованием ежегодно применяется более миллиона процедур NHS [4].Однако, хотя многие лабораторные исследования продемонстрировали ряд физиологических эффектов ультразвука на живые ткани [5–16], замечательно мало доказательств пользы при лечении повреждений мягких тканей [17–20]. В этой статье рассматриваются научные основы использования терапевтического ультразвука при поражениях мягких тканей и существующие данные, касающиеся его клинического эффекта.

Характеристики ультразвукового терапевтического

Ультразвук состоит из неслышимых высокочастотных механических колебаний, возникающих, когда генератор вырабатывает электрическую энергию, которая преобразуется в акустическую энергию посредством механической деформации пьезоэлектрического кристалла, расположенного внутри преобразователя.Возникающие волны передаются путем распространения через столкновения молекул и вибрацию с постепенной потерей интенсивности энергии во время прохождения через ткань (затухание) из-за поглощения, рассеивания или рассеяния волны [21].

Общее количество энергии ультразвукового луча — это его мощность, выраженная в ваттах. Количество энергии, которое достигает определенного участка, зависит от характеристик ультразвука (частота, интенсивность, амплитуда, фокус и однородность луча) и тканей, через которые он проходит.Важная терминология, касающаяся характеристик ультразвука и переменных, которые могут повлиять на доставляемую дозу, представлена в таблицах 1 и 2.

Терапевтический ультразвук имеет частотный диапазон 0,75–3 МГц, при этом большинство аппаратов настроены на частоту 1 или 3. МГц. Низкочастотные ультразвуковые волны имеют большую глубину проникновения, но менее сфокусированы. Ультразвук с частотой 1 МГц поглощается в основном тканями на глубине 3-5 см [22] и поэтому рекомендуется при более глубоких травмах и у пациентов с большим количеством подкожно-жировой клетчатки.Частота 3 МГц рекомендуется для более поверхностных поражений на глубине 1-2 см [22, 23].

Ткани можно охарактеризовать по их акустическому импедансу, произведению их плотности на скорость, с которой ультразвук будет проходить через них. Низкое поглощение (и, следовательно, высокое проникновение) ультразвуковых волн наблюдается в тканях с высоким содержанием воды (например, жира), тогда как поглощение выше в тканях, богатых белком (например, скелетных мышцах) [24]. Чем больше разница в акустическом импедансе между разными тканями, тем меньше передача от одной ткани к другой [25].Когда отраженный ультразвук встречается с передаваемыми другими волнами, может возникнуть стоячая волна (горячая точка), которая потенциально может отрицательно сказаться на ткани [26]. Такие эффекты можно свести к минимуму, убедившись, что аппарат излучает однородную волну, используя импульсные волны (см. Ниже) и перемещая датчик во время лечения [24].

Чем больше диаметр эффективной излучающей области лицевой поверхности преобразователя, тем более сфокусированным ультразвуковой луч получается. Внутри этого луча энергия распределяется неравномерно, причем наибольшая неравномерность возникает вблизи поверхности преобразователя (ближняя зона).Изменчивость интенсивности луча называется отношением неоднородности луча (BNR), отношением максимальной интенсивности преобразователя к средней интенсивности на лицевой стороне преобразователя. Оптимально это должно быть 1: 1 и, конечно, меньше 8: 1 [27].

Связующие среды в виде воды, масел и, как правило, гелей, предотвращают отражение волн от поверхности раздела мягкие ткани / воздух, исключая попадание воздуха между датчиком и пациентом. Разные среды имеют разное сопротивление.Любая соединительная среда должна иметь акустический импеданс, аналогичный сопротивлению датчика, должна поглощать небольшую часть ультразвука, не содержать пузырьков воздуха и позволять датчику легко перемещаться по поверхности кожи [28].

Дозировка ультразвука также может быть изменена путем изменения амплитуды и интенсивности волны [скорость, с которой она доставляется на единицу площади поверхности преобразователя (ватт / см ²)]. Машины различаются по определению, выбранному для их настройки интенсивности (таблица 1).Кроме того, лечебный ультразвук может быть импульсным или непрерывным. Первый имеет циклы включения / выключения, каждый компонент которых можно варьировать для изменения дозы. Непрерывный ультразвук имеет больший нагревательный эффект, но любая форма с низкой интенсивностью приведет к нетепловым эффектам.

Таблица 1.

Общая терминология, используемая в терапевтическом ультразвуке

Термин	Определение
Мощность	Общее количество энергии в ультразвуковом луче (ватты)
Акустический импеданс ткани	Произведение плотности ткани и скорости прохождения через нее ультразвука
Затухание	Прогрессивная потеря энергии при прохождении через ткань
Коэффициент неоднородности луча (BNR)	Интенсивность луча: отношение максимальной интенсивности преобразователя
	к средней интенсивности на поверхности преобразователя
Связующая среда	Вещество, предотвращающее отражение ультразвука на границе раздела мягкая ткань / воздух
Рабочий цикл	Процент времени, в течение которого ультразвук доставляется за один цикл включения / выключения
Стоячая волна (горячая точка)	Создается, когда отраженный ультразвук встречается с другими передаваемыми волнами,
	с потенциально неблагоприятным воздействием на ткани
Интенсивность (общие примеры):
Усредненная по пространству интенсивность (SA _I)	Интенсивность, усредненная по площади преобразователя.Рассчитывается делением выходной мощности
	на эффективную площадь излучения головки преобразователя
Интенсивность пространственного пика (SP _I)	Максимальная интенсивность во времени
Интенсивность временного пика	Пиковая интенсивность во время периода включения импульсного ультразвука
(или усредненная импульсная интенсивность)
Усредненная по времени интенсивность (TA _I)	Средняя мощность во время периодов включения и выключения импульсной терапии
Усредненная по пространству временная пиковая интенсивность	Максимальная интенсивность за один импульс
(SATP)

Срок	Определение
Мощность	Всего количество энергии в ультразвуковой луч (Вт)
Акустический импеданс ткани	Произведение плотности ткани и скорости, с которой ультразвук будет проходить через нее
Затухание	Постепенная потеря энергии при прохождении через ткань
Коэффициент неоднородности луча (BNR)	Изменчивость интенсивности луча: отношение максимальной интенсивности преобразователя
	к средней интенсивности на поверхности преобразователя
Связующая среда	Вещество, предотвращающее отражение ультразвука на границе раздела мягкие ткани и воздух
Рабочий цикл	Процент времени, в течение которого ультразвук доставляется в течение одного цикла включения / выключения
Стоячая волна (горячая точка)	Создано когда отраженный ультразвук встречается с передаваемыми другими волнами,
	с потенциальным неблагоприятным воздействием на ткань
Интенсивность (общие примеры):
Усредненная по пространству интенсивность (SA _I)	Интенсивность, усредненная по площади датчика.Рассчитывается путем деления выходной мощности
	на эффективную площадь излучения головки преобразователя
Интенсивность пространственного пика (SP _I)	Максимальная интенсивность во времени
Интенсивность временного пика	Пиковая интенсивность во время периода включения импульсного ультразвука
(или усредненная импульсная интенсивность)
Усредненная по времени интенсивность (TA _I)	Средняя мощность во время периодов включения и выключения импульсной терапии
Усредненная по пространству временная пиковая интенсивность	Максимальная интенсивность, возникающая во время одиночного импульса
(SATP)

Таблица 1.

Общая терминология, используемая в терапевтическом ультразвуке

Термин	Определение
Мощность	Общее количество энергии в ультразвуковом луче (ватты)
Акустический импеданс ткани	Произведение плотность ткани и скорость, с которой ультразвук будет проходить через нее
Затухание	Прогрессивная потеря энергии при прохождении через ткань
Коэффициент неоднородности луча (BNR)	Изменчивость интенсивности луча: отношение максимальной интенсивности преобразователя
	к средней интенсивности на поверхности преобразователя
Связующая среда	Вещество, предотвращающее отражение ультразвука на границе раздела мягкая ткань / воздух
Обязанность цикл	Процент времени t что ультразвук доставляется в течение одного цикла включения / выключения
Стоячая волна (горячая точка)	Создается, когда отраженный ультразвук встречается с другими передаваемыми волнами,
	с потенциально неблагоприятным воздействием на ткань
Интенсивность ( общие примеры):
Усредненная по пространству интенсивность (SA _I)	Интенсивность, усредненная по площади преобразователя.Рассчитывается делением выходной мощности
	на эффективную площадь излучения головки преобразователя
Интенсивность пространственного пика (SP _I)	Максимальная интенсивность во времени
Интенсивность временного пика	Пиковая интенсивность во время периода включения импульсного ультразвука
(или усредненная импульсная интенсивность)
Усредненная по времени интенсивность (TA _I)	Средняя мощность во время периодов включения и выключения импульсной терапии
Усредненная по пространству временная пиковая интенсивность	Максимальная интенсивность за один импульс
(SATP)

Срок	Определение
Мощность	Всего количество энергии в ультразвуковой луч (Вт)
Акустический импеданс ткани	Произведение плотности ткани и скорости, с которой ультразвук будет проходить через нее
Затухание	Постепенная потеря энергии при прохождении через ткань
Коэффициент неоднородности луча (BNR)	Изменчивость интенсивности луча: отношение максимальной интенсивности преобразователя
	к средней интенсивности на поверхности преобразователя
Связующая среда	Вещество, предотвращающее отражение ультразвука на границе раздела мягкие ткани и воздух
Рабочий цикл	Процент времени, в течение которого ультразвук доставляется в течение одного цикла включения / выключения
Стоячая волна (горячая точка)	Создано когда отраженный ультразвук встречается с передаваемыми другими волнами,
	с потенциальным неблагоприятным воздействием на ткань
Интенсивность (общие примеры):
Усредненная по пространству интенсивность (SA _I)	Интенсивность, усредненная по площади датчика.Рассчитывается путем деления выходной мощности
	на эффективную площадь излучения головки преобразователя
Интенсивность пространственного пика (SP _I)	Максимальная интенсивность во времени
Интенсивность временного пика	Пиковая интенсивность во время периода включения импульсного ультразвука
(или усредненная импульсная интенсивность)
Усредненная по времени интенсивность (TA _I)	Средняя мощность во время периодов включения и выключения импульсной терапии
Усредненная по пространству временная пиковая интенсивность	Максимальная интенсивность, возникающая во время одиночного импульса
(SATP)

Таблица 2.

Некоторые переменные, которые могут влиять на дозировку ультразвука, доставляемого к целевой ткани

Частота ультразвука

Длина волны

Интенсивность

Амплитуда

Эффективная площадь излучения головки преобразователя

Коэффициент неравномерности пучка (BNR)

Непрерывная / импульсная терапия

Связующая среда

Состав ткани

Движение и угол датчика

Частота и продолжительность сеансов лечения

Частота ультразвука

Длина волны

Интенсивность

Амплитуда

Эффективная площадь излучения головки преобразователя

Коэффициент неоднородности пучка (BNR) 900 43

Непрерывная / импульсная терапия

Связующая среда

Состав ткани

Движение и угол датчика

Частота и продолжительность сеансов лечения

Таблица 2.

Некоторые переменные, которые могут влиять на дозировку ультразвука, доставляемого к целевой ткани

Частота ультразвука

Длина волны

Интенсивность

Амплитуда

Эффективная площадь излучения головки преобразователя

Коэффициент неравномерности пучка (BNR)

Непрерывная / импульсная терапия

Связующая среда

Состав ткани

Движение и угол датчика

Частота и продолжительность сеансов лечения

Частота ультразвука

Длина волны

Интенсивность

Амплитуда

Эффективная площадь излучения головки преобразователя

Коэффициент неоднородности пучка (BNR) 900 43

Непрерывная / импульсная терапия

Связующая среда

Состав ткани

Движение и угол датчика

Частота и продолжительность сеансов лечения

Модифицированные формы ультразвука

Модифицированные формы ультразвука включают фонофорез и экстракорпоральную ударно-волновую терапию (ЭУВТ).Фонофорез включает использование энергии ультразвука для трансдермальной доставки низкомолекулярных лекарств [29]. ЭУВТ включает в себя сфокусированную энергию ультразвука высокой энергии, доставляемую с помощью модифицированного литотриптера [30]. Эти методы не будут рассматриваться в данном обзоре.

Физиологические эффекты ультразвука

Ультразвук может вызывать тепловые и нетепловые физические эффекты в тканях (Таблица 3). Нетепловые эффекты могут быть достигнуты с тепловыми эффектами или без них.Тепловые эффекты ультразвука на ткани могут включать усиление кровотока, уменьшение мышечного спазма, увеличение растяжимости коллагеновых волокон и провоспалительную реакцию. Подсчитано, что тепловые эффекты возникают при повышении температуры тканей до 40–45 ° C в течение не менее 5 минут [31]. Чрезмерные тепловые эффекты, особенно наблюдаемые при более высокой интенсивности ультразвука, могут повредить ткань [24].

Было высказано предположение, что нетепловые эффекты ультразвука, включая кавитацию и акустический микропоток, более важны при лечении поражений мягких тканей, чем тепловые эффекты [32].Кавитация возникает, когда пузырьки, наполненные газом, расширяются и сжимаются из-за изменений давления в тканевых жидкостях, вызванных ультразвуком, что приводит к увеличению потока в окружающей жидкости [33]. Считается, что стабильная (регулярная) кавитация полезна для поврежденной ткани, тогда как нестабильная (временная) кавитация считается причиной повреждения ткани [34]. Первые могут поддерживаться при более низких интенсивностях, чем требуется для нестабильной кавитации, и могут подавляться с помощью очень коротких импульсов.Для установления стабильной кавитации требуется не менее 1000 циклов на частоте 1 МГц [34]. Акустический микропоток, однонаправленное движение жидкости вдоль клеточных мембран, происходит в результате изменений механического давления в ультразвуковом поле. Микропоток может изменять структуру, функцию и проницаемость клеточной мембраны [25], что, как предполагается, стимулирует восстановление тканей [32]. Эффекты кавитации и микропотока, которые были продемонстрированы in vitro , включают стимуляцию восстановления фибробластов и синтеза коллагена [5–8], регенерацию тканей [6] и заживление костей [9].

Большая часть наших знаний о влиянии ультразвука на живые ткани была получена в результате исследований in vitro, и животных моделей, и большая часть этих исследований была сосредоточена, в частности, на кожных ранах и язвах. Было высказано предположение, что ультразвук взаимодействует с одним или несколькими компонентами воспаления и более ранним разрешением воспаления [2], ускоренным фибринолизом [10, 11], стимуляцией митогенных факторов фибробластов, полученных из макрофагов [12], повышенным рекрутированием фибробластов [2] , ускоренный ангиогенез [13], повышенный синтез матрикса [7], более плотные коллагеновые фибриллы [14] и повышенная прочность ткани на разрыв [8, 15, 16] — все это было продемонстрировано in vitro .Такие результаты составляют основу использования ультразвука для ускорения заживления и восстановления тканей. Хотя эти результаты имеют отношение к заживлению ран, их отношение к тендинопатиям, которые составляют значительную часть повреждений мягких тканей, неясно. Гистопатологический спектр тендинопатий широк и варьируется от воспалительных поражений теносиновиума до дегенеративных тендинозов при отсутствии явной воспалительной реакции [34]. Дегенеративный процесс плохо изучен, но считается, что он представляет собой неспособность внутренних клеток сухожилия восстанавливать и реконструировать внеклеточный матрикс после повреждения [35, 36].Обширные исследования нормальных и дегенерированных человеческих сухожилий показали поразительные различия в составе матрикса [35–38], изменение распределения типов коллагеновых волокон с относительным увеличением коллагена типа III по сравнению с коллагеном типа I и, при некоторых поражениях сухожилий, пролиферацию фиброваскулярных сосудов. и очаговая экспрессия коллагена типа II, представляющая фиброзно-хрящевые изменения. После травмы необходимо увеличение оборота матрикса для удаления поврежденного матрикса и ремоделирования рубцовой ткани. Влияние ультразвука на эти процессы, которые сами по себе плохо изучены, еще не известно.

В качестве альтернативы, ультразвук может быть использован из-за его теплового воздействия, чтобы облегчить боль и мышечный спазм, чтобы увеличить растяжимость ткани, что может быть использовано в сочетании с упражнениями на растяжку для достижения оптимальной длины ткани [39]. Удлинение тепловыми дозами ультразвука было продемонстрировано в связках нормальных коленных суставов [40] и в рубцовой ткани [41]. Как только ткань нагреется до адекватного уровня (считается, что это 40–45 ° C [34]), возможность растянуть ткани сохраняется в течение 10 минут, прежде чем ткань остынет [42].

Исследования по использованию ультразвука специально для заживления сухожилий минимальны и относятся только к животным, с противоречивыми выводами. Повышение прочности на разрыв, поглощения энергии, подвижности, улучшение выравнивания коллагеновых фибрилл, уменьшение воспалительного инфильтрата и рубцовой ткани в сухожилиях было продемонстрировано в некоторых исследованиях [43, 44], но не в других [45–46]. Эти исследования значительно различались в зависимости от используемых режимов.

Следует проявлять осторожность при экстраполяции этих результатов на повреждения сухожилий человека, поскольку существуют различия между видами в типах коллагена в сухожилиях.

Таблица 3.

Предлагаемые эффекты терапевтического ультразвука

Тип эффекта	Результат
Тепловой	Увеличение растяжимости тканей
	Увеличение кровотока
	Модуляция боли
	Легкая воспалительная реакция
	Снижение жесткости суставов
	Уменьшение мышечного спазма
Нетепловой	Кавитация
	Акустический микропоток
	В сочетании может привести к стимуляции
	активности фибробластов, увеличению синтеза белка,
	усилению кровотока, регенерации тканей,
	заживление кости

Тип эффекта	Результат
Тепловой	Увеличение растяжимости тканей
	Увеличение кровотока
	Модуляция боли
	Легкая воспалительная реакция
	Снижение жесткости суставов
	Уменьшение мышечного спазма
Нетепловой	Кавитация
	Акустический микропоток
	В сочетании может привести к стимуляции
	активности фибробластов, увеличению синтеза белка,
	усилению кровотока, регенерации тканей,
	заживление кости

Таблица 3.

Предполагаемые эффекты терапевтического ультразвука

9 0041 заживление кости

Тип эффекта	Результат
Тепловой	Увеличение растяжимости тканей
	Увеличение кровотока
	Модуляция боли
	Легкая воспалительная реакция
	Снижение жесткости суставов
	Уменьшение мышечного спазма
Нетепловая	Кавитация
	Акустический микропоток
	В сочетании может привести к стимуляции
	активности фибробластов, увеличению синтеза белка,
	усилению кровотока, регенерации тканей,

Тип эффекта	Результат
Тепловой	Увеличение растяжимости тканей
	Увеличение кровотока
	Модуляция боли
	Легкая воспалительная реакция
	Снижение жесткости суставов
	Уменьшение мышечного спазма
Нетепловой	Кавитация
	Акустический микропоток
	В сочетании может привести к стимуляции активности фибробластов
	, увеличению синтеза белка,
	усилению кровотока, регенерации тканей,
	Заживление костей

Ультразвук при поражениях мягких тканей: доказательства клинического эффекта

Ультразвук обычно используется при лечении большинства жалоб на мягкие ткани, особенно при поражениях сухожилий, связок и бурсы.Клинические исследования ультразвука при повреждениях мягких тканей ограничены соответствующими критериями исхода (боль, отек и функция) и не имеют преимущества исследований заживления ран, которые могут более тщательно оценить поражение путем отслеживания раны.

Гам и Йоханссен рассмотрели 293 статьи, опубликованные в период с 1953 по 1993 год, чтобы оценить доказательства влияния ультразвука при лечении скелетно-мышечной боли [17]. Было найдено двадцать два испытания, в которых сравнивали ультразвуковое лечение с фиктивным ультразвуком, лечением без ультразвука или отсутствием лечения.В этих испытаниях оценивались различные заболевания, включая латеральный эпикондилит (четыре исследования), «плечевой периартроз» (два исследования), плечевой бурсит (три исследования), тендинит плеча и локтя (одно исследование), искривление голеностопного сустава (растяжение связок). (два исследования) и другие заболевания, такие как остеоартрит колена (три исследования), боль в пояснице (два исследования), миофасциальная боль (одно исследование), травма промежности (два исследования) и боль в груди после родов (одно исследование). Эти исследования оценивались по списку предопределенных критериев, и было обнаружено, что в них не хватает описания выбывших, методов рандомизации, используемого оборудования, способа доставки, размера звуковой головки, размера участка. лечение и время наблюдения.В 16 из этих исследований ультразвуковое лечение сравнивалось с фиктивным ультразвуком, а в 13 случаях данные были представлены таким образом, чтобы сделать возможным объединение. К результатам были применены две стандартизованные величины эффекта, чтобы можно было оценить влияние ультразвуковой терапии на боль. Не было обнаружено доказательств облегчения боли при лечении ультразвуком.

Со времени обзора Gam и Johanssen [17] были опубликованы другие статьи по теме ультразвукового лечения поражений мягких тканей, но лишь немногие из них добавили какую-либо поддержку использования ультразвука.В обзоре 400 рандомизированных исследований использования физиотерапии при различных нарушениях опорно-двигательного аппарата Beckerman et al. идентифицировал 16 исследований с участием ультразвука [18]. В большинстве исследований было отмечено низкое методологическое качество: средний методологический балл 41 (диапазон 17–70) из максимального значения 100. Авторы пришли к выводу, что нет никаких доказательств того, что лечение было эффективным, и хотя они указали что могут быть некоторые доказательства в поддержку его использования при «поражениях локтевого сустава», они не предоставили дальнейших подробностей.

Два систематических обзора показали, что ультразвук неэффективен при лечении боли в плече [19, 20], одном из наиболее частых мест возникновения боли в мягких тканях. В систематическом обзоре вмешательств при заболеваниях плеча Van der Heijden et al. идентифицировал шесть испытаний ультразвука [20]. Однако из-за недостаточного ослепления, разнородных групп на исходном уровне, неадекватных размеров выборки, различных критериев оценки результатов, отказа от лечения и неадекватного последующего наблюдения, только три испытания были признаны адекватными с методологической точки зрения для включения в обзор.Одно из трех испытаний включало пациентов с повреждениями вращающей манжеты [47], одно включало пациентов с субакромиальным бурситом (который обычно возникает при наличии поражения вращательной манжеты) [48] и одно включало всех пациентов с болью в плече [49]. Был сделан вывод о неэффективности терапевтического ультразвука при лечении заболеваний плечевого сустава.

УЗИ и стадия травмы

Было высказано предположение, что ультразвук может быть особенно полезен на ранних стадиях после травмы, в то время как во многих исследованиях оценивалось большее количество хронических повреждений (или неустановленной продолжительности).Частично это было решено путем использования отсроченной мышечной болезненности (DOMS) в качестве клинической модели острого воспаления. Опять же, сообщается о противоречивых результатах. Сообщалось об уменьшении боли, болезненности и увеличении мышечной силы при DOMS [50], но это не было подтверждено другими исследователями [51]. Имеются данные о том, что тепловые дозы ультразвука при DOMS могут усиливать боль и скованность [52].

Объяснение явного отсутствия эффекта

Очевидно, что, хотя ультразвук широко используется при травмах мягких тканей и существуют рациональные теории его использования, убедительных доказательств его эффективности в таких условиях нет.В то время как исследований in vitro ультразвука продемонстрировали многочисленные эффекты, они не привели к успеху in vivo . Отсутствие доказательств пользы ультразвука при поражениях мягких тканей может быть связано с полным отсутствием эффекта, но плохой дизайн исследования или технические факторы могут играть роль [53]. Как уже отмечалось, существует множество технических переменных при проведении ультразвукового лечения, которые могут выступать в качестве источника ошибок в таких исследованиях (Таблица 4). Доза терапевтического ультразвука определяется многими факторами, как описано в таблице 2.

Также отмечена недостаточная калибровка машин [54]. Пай и Милфорд оценили эффективность и калибровку 85 аппаратов ультразвуковой терапии, используемых в регионе Лотиан, Шотландия [54]. Из протестированных машин 69% имели выходную мощность, которая отличалась более чем на 30% от ожидаемых значений. Особенно плохо работали терапевтические аппараты старше 10–12 лет и современные двухчастотные лечебные головки.

Дизайн клинических исследований также может быть ошибочным. Значительная неоднородность исследуемых популяций с включением разнообразных заболеваний, проявляющихся болью в плече, не позволяет сделать четкий вывод относительно тендинопатии ультразвукового исследования и вращательной манжеты плеча.Возможно, что ультразвук эффективен только на более ранних стадиях после повреждения ткани, и существует потребность в исследованиях, которые конкретно определяют не только оцениваемое поражение, но и его хроничность.

Невоспалительная дегенеративная природа многих поражений мягких тканей, в частности поражающих сухожилие, и наличие более сложных основных патологий также могут способствовать очевидному отсутствию эффекта ультразвука. Даже если ультразвук действительно «терапевтический», нецелесообразно использовать его в качестве единственного метода лечения поражений мягких тканей.К сожалению, такая ситуация не редкость, другие важные аспекты реабилитации часто игнорируются в пользу использования тренажера. Неспособность устранить другие причинные факторы в этиологии поражения и его хроническом течении также может привести к очевидной неэффективности ультразвука в качестве терапии. Другие факторы, такие как состав тела человека, которые влияют на степень передачи ультразвуковых волн, контролировать труднее.

Таблица 4.

Возможные причины очевидного отсутствия эффекта терапевтического ультразвука при поражениях мягких тканей

Дизайн исследования	Недостаточное ослепление
	Разнородные группы на исходном уровне,
	Неадекватные размеры выборки
	Различные критерии исходов,
	отказ от лечения
	Отсутствие возможности наблюдения
	Недостаточная продолжительность наблюдения
	Широкий спектр патологий
	внутри исследуемой группы
Дозировка ультразвука	Различалась между исследованиями
	Различалась между видами лечения
	Несоответствующая доза
Неадекватная e калибровка	Несоответствующая доза
оборудования
Несоответствующая или	Несоответствующая доставка
несоответствующая связь	ультразвук к месту повреждения
среда
Истинный недостаток эффекта

90 043

Дизайн исследования	Недостаточное ослепление
	Разнородные группы на исходном уровне,
	Неадекватные размеры выборки
	Меры различного исхода,
	внутри исследуемой группы
Дозировка ультразвука	Различается между исследованиями
	Различается между видами лечения
	Несоответствующая доза
Неадекватная калибровка	Несоответствующая доза
оборудования
Несоответствующее или	Неадекватная доставка
несоответствующее соединение	УЗИ к поврежденному участку
средний
Истинное отсутствие эффекта

Таблица 4.

Возможные причины очевидного отсутствия эффекта терапевтического ультразвука при поражениях мягких тканей

Дизайн исследования	Недостаточное ослепление
	Разнородные группы на исходном уровне,
	Неадекватные размеры выборки
	Различные критерии исходов,
	отказ от лечения
	Отсутствие возможности наблюдения
	Недостаточная продолжительность наблюдения
	Широкий спектр патологий
	внутри исследуемой группы
Дозировка ультразвука	Различалась между исследованиями
	Различалась между видами лечения
	Несоответствующая доза
Неадекватная e калибровка	Несоответствующая доза
оборудования
Несоответствующая или	Несоответствующая доставка
несоответствующая связь	ультразвук к месту повреждения
среда
Истинный недостаток эффекта

90 043

Дизайн исследования	Недостаточное ослепление
	Разнородные группы на исходном уровне,
	Неадекватные размеры выборки
	Меры различного исхода,
	внутри исследуемой группы
Дозировка ультразвука	Различается между исследованиями
	Различается между видами лечения
	Несоответствующая доза
Неадекватная калибровка	Несоответствующая доза
оборудования
Несоответствующее или	Неадекватная доставка
несоответствующее соединение	УЗИ к поврежденному участку
средний
Истинное отсутствие эффекта

Выводы: будущее

Принимая во внимание научное обоснование использования ультразвука при поражениях мягких тканей, было бы преждевременно отказываться от использования ультразвука из-за отсутствия в настоящее время клинических доказательств эффективности.Исследования должны включать ультразвуковые устройства, которые регулярно калибруются, а другие переменные, такие как среда связи и площадь поверхности датчика, должны быть четко описаны. Разработаны надежные методы измерения для характеристики мощности и производительности ультразвукового физиотерапевтического оборудования, которые могут использоваться для обеспечения стандартной дозировки ультразвуковой терапии. Требуются адекватные рандомизированные двойные слепые плацебо-контролируемые клинические исследования использования ультразвуковой терапии в определенных дозах при конкретных, четко определенных поражениях мягких тканей.

Список литературы

Wood RW, Лумис А.Л. Физические и биологические эффекты высокочастотных звуковых волн большой интенсивности. Лондон, Эдинбург,

Дублинский философский журнал J Sci

1927

;

417

–36,2

Янг С.Р., Дайсон М. Влияние терапевтического ультразвука на заживление полнослойных иссеченных поражений кожи.

Ультразвук

1990

;

175

–80.3

Quan KM, Shiran M, Watmough DJ. Аппликаторы для создания гипертермии, вызванной ультразвуком, при неопластических опухолях и для использования в ультразвуковой физиотерапии.

Phys Med Biol

1989

;

1719

–31,4

ter Haar G, Dyson M, Oakley EM. Использование ультразвука физиотерапевтами в Великобритании.

Ультразвук Med Biol

1985

;

659

–63,5

Webster DF, Harvey W., Dyson M, Pond JB. Роль вызванной ультразвуком кавитации в стимуляции «in vitro» синтеза коллагена в человеческих фибробластах.

Ультразвук

1980

;

–7,6

Дайсон М., Люк Д.А. Индукция дегрануляции тучных клеток в коже ультразвуком.

IEEE Trans Ultrasonics Ferroelectrics Frequency Control

1986

;

UFFC ‐ 33

194

Webster DF.

Влияние ультразвука на заживление ран

. Кандидатская диссертация. Лондон: Лондонский университет,

1980

Byl NN, McKenzie AL, West JM et al .Влияние низких доз ультразвука на заживление ран: контролируемое исследование на свиньях Юкатана.

Arch Phys Med Rehab

1992

;

656

–64,9

Пилла А.А., Фигейредо М., Нассер П. и др. .

Неинвазивный импульсный ультразвук низкой интенсивности: мощный ускоритель восстановления костей

. Proceedings, 36-е ежегодное собрание Общества исследования ортопедии, Новый Орлеан,

1990

.10

Harpaz D, Chen X, Francis CW et al .Ультразвуковое усиление тромболизиса и реперфузии in vitro.

J Am Coll Cardiol

1993

;

1507

–11.11

Francis CW, Onundarson PT, Cartensen EL et al . Усиление фибринолиза ультразвуком.

Дж. Клин Инвест

1992

;

2063

–8.12

Янг С.Р., Дайсон М. Чувствительность макрофагов к терапевтическому ультразвуку.

Ультразвук Med Biol

1990

;

809

–16.13

Янг С.Р., Дайсон М. Влияние терапевтического ультразвука на ангиогенез.

Ультразвук Med Biol

1990

;

261

–9,14

Фридар С. Пилотное исследование: терапевтический эффект ультразвука после частичного разрыва ахиллова сухожилия у самцов крыс.

J Orthop Sports Phys Ther

1988

;

.15

Бил Н.Н., Маккензи А.Л., Вонг Т. и др. . Заживление послеоперационной раны: контролируемое исследование низких и высоких доз ультразвука.

J Orth Sports Phys Ther

1993

;

619

–28,16

Pocock BJZ.

Влияние терапевтического ультразвука на механические свойства хирургических разрезов у крыс линии Вистар

. Диссертация на степень бакалавра. Лондон: Лондонский университет,

1994

,17

Gam AN, Johannsen F. Ультразвуковая терапия при нарушениях опорно-двигательного аппарата: метаанализ.

Пара

1995

;

–91,18

Beckerman H, Bouter LM, van der Heijden GJ, de Bie RA, Koes BW.Эффективность физиотерапии при нарушениях опорно-двигательного аппарата: чему мы можем научиться из исследований?

Br J Gen Pract

1993

;

–7,19

Грин С., Бухбиндер Р., Глейзер Р., Форбс А. Систематический обзор рандомизированных контролируемых исследований вмешательств при болезненном плече: критерии отбора, оценка результатов и эффективность.

Br Med J

1998

;

316

354

–60.20

Van der Heijden GJMG, van der Windt DAWM, de Winter AF.Физиотерапия для пациентов с заболеваниями плеча: систематический обзор рандомизированных контролируемых клинических исследований.

Br Med J

1997

;

315

–30.21

тер Хаар К. Основы физики терапевтического ультразвука.

Физиотерапия

1987

;

110

–3,22

Ганн Н. Ультразвук: современные концепции.

Clin Manage

1991

;

–9,23

Зискин М., МакДиармид Т., Михловиц С.Лечебный ультразвук. В: Michlovitz S, ed.

Тепловые средства в реабилитации

. Филадельфия: Ф. А. Дэвис,

1990

.24

Дайсон М. Механизмы, задействованные в терапевтическом ультразвуке.

Физиотерапия

1987

;

116

–20,25

Уильямс, округ Колумбия. Производство и передача ультразвука.

Физиотерапия

1987

;

113

–6,26

Зискин М., МакДиармид Т., Михловиц С.Лечебный ультразвук. В: Michlovitz S, ed.

Тепловые средства в реабилитации

. Филадельфия: F. A. Davis,

1990

.27

Hekkenberg RT, Reibold R, Zeqiri B. Разработка стандартных методов измерения основных характеристик оборудования для ультразвуковой терапии.

Ультразвук Med Biol

1994

;

–98,28

McDiarmid T, Burns PN. Клинические применения терапевтического ультразвука.

Физиотерапия

1987

;

155

.29

Каникканнан Н., Кандималла К., Ламба С.С., Сингх М. Взаимосвязь между структурой и активностью химических усилителей проникновения при трансдермальной доставке лекарств.

Curr Med Chem

2000

;

593

–608,30

Loew M, Daecke W., Kusnierczak D, Rahmanzadeh M, Ewerbeck V. Ударно-волновая терапия эффективна при хроническом кальцифицирующем тендините плеча.

J Bone Joint Surg Br

1999

;

863

–7,31

Prentice WE.

Терапевтические методы в спортивной медицине

, 3-е издание. Сент-Луис: Мосби,

1994

.32

Дайсон М., Саклинг Дж. Стимуляция восстановления тканей ультразвуком: обзор задействованных механизмов.

Физиотерапия

1978

;

105

–8.33

Йоса Л., Каннус П. Сухожилия человека.

Анатомия, физиология и патология

. Шампейн, Иллинойс,

1997

,34

Wells PNT.

Биомедицинская ультразвуковая техника

.Лондон: Academic Press,

1977

,35

Riley GP, Harrall RL, Constant CR и др. . Дегенерация сухожилия и хроническая боль в плече: изменения в составе коллагена сухожилий вращательной манжеты человека при тендините вращательной манжеты плеча.

Ann Rheum Dis

1994

;

359

–66,36

Райли GP. Старение и патология вращательной манжеты. В: Арчер С., Бенджамин М., Катерсон Б., Ральфс Дж., Ред.

Биология синовиального сустава.Harwood Academic Publishers

1999

.37

Riley GP, Harrall RL, Cawston TE et al . Тенасцин С и дегенерация сухожилий человека.

Am J Pathol

1996

;

149

933

–43,38

Riley GP, Harrall RL, Constant CR et al . Распространенность и возможное патологическое значение накопления соли фосфата кальция при дегенерации матрикса сухожилия.

Ann Rheum Dis

1996

;

109

–15.39

Рид Б., Асикага Т. Влияние нагрева ультразвуком на замену суставов.

J Orthop Sports Phys Ther

1997

;

131

–7,40

Ellis DG. Измерение площади поперечного сечения образцов сухожилий: сравнение нескольких методов.

J Biomech

1969

;

175

–86,41

Нойес ФР, Торвик П.Дж., Хайд В.Б., ДеЛукас Дж.Л. Биомеханика разрушения связок. II. Анализ иммобилизационных упражнений и восстановительных эффектов у приматов.

J Bone Joint Surg Am

1974

;

1406

–18.42

Франкель В.Х., Нордин М.

Базовая биомеханика скелетной системы

. Филадельфия: Lea & Febiger,

1980

–20,43

Enwemeka CS. Влияние терапевтического ультразвука на заживление сухожилий. Биомеханическое исследование.

Am J Phys Med Rehabil

1989

;

283

–7,44

Ган Б.С., Хейс С., Шеребрин М.Х., Скилли К.Г.Влияние ультразвуковой терапии на заживление сухожилий сгибателей конечностей курицы.

J Hand Surg Br

1995

;

809

–14,45

Тернер С.М., Пауэлл ЭС, Нью-CS. Влияние ультразвука на заживление восстановленного сухожилия петушка: является ли перекрестное сшивание коллагена фактором?

J Hand Surg Br

1989

;

428

–33,46

Робертс М., Резерфорд Дж. Х., Харрис Д. Влияние ультразвука на восстановление сухожилий сгибателей у кроликов.

Рука

1982

;

–20,47

Берри Х, Фернандес Л., Блум Б. и др. . Клиническое исследование, сравнивающее иглоукалывание, физиотерапию, инъекции и пероральную противовоспалительную терапию при поражениях плечевой манжеты.

Curr Med Res Opin

1980

;

121

–6.48

Даунинг Д.С., Вайнштейн А. Ультразвуковая терапия субакромиального бурсита. Двойное слепое испытание.

Phys Ther

1986

;

194

–9.49

Никанен М. Импульсное ультразвуковое лечение плеча. Рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование.

Scand J Rehabil Med

1995

;

105

–8,50

Хассон С., Мундорф Р., Барнс В., Уильямс Дж., Фуджи М. Влияние импульсного ультразвука по сравнению с плацебо на восприятие мышечной болезненности и мышечную работоспособность.

Scand J Rehabil Med

1990

;

199

–205,51

Craig JA, Bradley J, Walsh DM, Baxter GD, Allen JM.Отсроченная болезненность мышц: отсутствие эффекта терапевтического ультразвука у людей.

Arch Phys Med Rehabil

1999

;

318

–23,52

Ciccone C, Leggin B, Callamaro J. Влияние ультразвука и фонофореза троламинсалицилата на болезненность мышц с отсроченным началом.

Phys Ther

1991

;

666

–78,53

Кларк Г. Х., Стеннер Л. Использование терапевтического ультразвука.

Физиотерапия

1976

;

185

–90.54

Pye SD, Milford C. Работа ультразвуковых физиотерапевтических аппаратов в регионе Лотиан, Шотландия,

1992

Ultrasound Med Biol

1994

;

347

–59.

Ultrasound Energy — обзор

Ультразвуковая энергия

В отличие от электромагнитного излучения, ультразвуковая энергия распространяется через ткани в виде бегущей волны давления.Изменения давления из-за чередующихся сжимающих и расширяющих сил заставляют молекулы ткани вибрировать и сталкиваться, выделяя тепло от механического трения внутри молекулярной структуры. В результате этих потерь энергия УЗ в волне давления экспоненциально затухает по мере распространения через однородную ткань, так что акустическое давление P = P ₀ e ^−α ^x , в котором α равно коэффициент ослабления амплитуды, x — это расстояние до ткани, а P ₀ — начальное давление на поверхности.Акустическая интенсивность I (скорость потока энергии через единицу площади) равна P ² / (2ρ c _с ), где ρ — плотность массы ткани, а c _с — скорость акустической волны или скорость звука в ткани. Таким образом, вклад акустической мощности, или APD, составляет:

APD = −dI / dx = 2αI = αP2 / (ρcs)

в ваттах на кубический метр, и снова SAR — это APD / ρ в ваттах на килограмм.

Рис. 74-9 показывает характеристики глубины проникновения УЗИ в однородную мышечную ткань как функцию частоты, при условии, что излучение плоской волны с хорошим поведением.Более высокие частоты приводят к более поверхностной локализации мощности, а более низкие частоты приводят к более глубокому проникновению. Для практических HT-преобразователей целевой объем обычно появляется в ближнем поле преобразователя, где наблюдаются заметные флуктуации интенсивности луча как в продольном направлении, так и по фронту волны, в отличие от гораздо более плавного обратного квадратичного продольного затухания. интенсивности в дальней зоне. Таким образом, отражение, рассеяние и теплопроводность в ткани используются для сглаживания температурного распределения, возникающего в результате пикового SAR.Нефокусированные аппликаторы, работающие на частоте около 3,5 МГц, могут нагревать опухоли на глубину от 4 до 6 см. ¹⁶³ Нефокусированные аппликаторы, работающие на более низких частотах, обычно вызывают повышенную боль из-за неизбежного поглощения в подлежащей кости. Более глубокое проникновение становится возможным за счет направления ультразвуковых лучей, чтобы избежать контакта с костью и воздухом, использования большего акустического окна на поверхности и фокусировки ультразвуковых лучей для увеличения плотности мощности на глубине по сравнению с плотностью мощности на поверхности кожи и критически важных нормальных тканей снаружи. фокусный объем.

Поскольку скорость звука ( c _с ) на порядки меньше скорости света, длина волны (λ) излучения США λ = c _с / f в ткани выше, чем интересующий диапазон частот ( f ) (0,5–10 МГц) составляет от 0,1 до 3 мм. Благодаря такой малой длине волны лучи США легко фокусируются в очень малых объемах на глубине. При осторожном обращении с большими объемами можно использовать фокальные пятна с механическим или электрическим сканированием или несколько лучей, нацеленных на разные места в пределах целевого объема.

Характеристический акустический импеданс Z = ρ c _с является важным параметром при определении поведения УЗИ на границах раздела тканей. У Z большинство мягких тканей очень похожи, поэтому при распространении УЗИ от одной мягкой ткани к другой потери на отражение незначительны. Однако значения Z для кости, воздуха и легких значительно отличаются от значений для мягких тканей, вызывая почти полное отражение на границах раздела мягкая ткань-газ, а также отражение и быстрое поглощение прошедшей части волны мягкими тканями– костные интерфейсы.¹⁶⁴ Доступны таблицы акустических свойств тканей и более подробное описание взаимодействия УЗИ с тканями. ^161,162,165

Из-за проблемы отражения энергии УЗ на границах раздела с воздухом, очень важно осторожно направить энергию УЗ в тело через дегазированную воду и тонкий слой связующего геля УЗ, с устранением всех воздушных карманов и пузырьков между ними. источник и опухоль. Для частот США менее 1,5 МГц может потребоваться второй мешок с водой, прикрепленный к коже в месте выхода луча гелем, чтобы избежать ожогов кожи.УЗ-отражение на границах раздела с воздухом может быть использовано в пользу блокирования критических нормальных тканей, расположенных близко к желаемой цели (например, нижней челюсти, прилегающей к массе шеи), путем преднамеренной сушки поверхности кожи и размещения 3–5-миллиметрового слой пены с закрытыми порами (например, обычного пластикового упаковочного материала) на поверхности кожи под частью аппликатора.

Изменение механических и термических свойств клюквы, подвергнутой ультразвуковой обработке

Целью исследования было изучить влияние ультразвуковой обработки в осмотическом растворе, проводимой в разное время и в разных растворах, на механические и термические свойства клюквы.Обработку ультразвуком проводили в течение 30 и 60 минут в жидких средах, таких как 61,5% раствор сахарозы и 30% раствор сахарозы с добавлением 0,1% стевиоловых гликозидов. Перед ультразвуковой обработкой образцы подвергали традиционным операциям (вырезка, бланшировка). Традиционные операции и ультразвуковая обработка целых плодов не влияли или незначительно влияли на содержание сухого вещества и механические свойства. Нарезка в наибольшей степени повлияла на тепловые свойства из-за обнажения мякоти плодов.Комбинация резки и обработки ультразвуком снизила теплопроводность, что предполагает более выраженный массоперенос. Обработка ультразвуком имела большее влияние по сравнению с обработкой только ультразвуком. Сочетание резки и бланширования с ультразвуковой обработкой привело к более значительным изменениям свойств клюквы.

Список литературы

1. Ковальска К., Олейник А. Положительные эффекты клюквы в профилактике ожирения и связанных с ним осложнений: метаболический синдром и диабет — обзор.J Funct Foods. 2016; 20: 171–181. Искать в Google Scholar

2. Stobnicka A, Gniewosz M. Możliwości wykorzystania właściwości żurawiny (Oxycoccus) we współczesnej medycynie (на польском языке). Borgis — Postępy Fitoterapii. 2010. 3: 170–175. Искать в Google Scholar

3. Телешко М. Клюква американская ( Vaccinium Macrocarpon L.) — возможность использования в производстве биопродуктов (на польском языке). Food Sci Technol Qual. 2011. 6 (79): 132–141. Искать в Google Scholar

4. McKay DL, Blumberg JB.Клюква ( Vaccinium macrocarpon ) и факторы риска сердечно-сосудистых заболеваний. Nutr Rev.2007; 65 (11): 489–503. Поиск в Google Scholar

5. Постановление Комиссии (ЕС) № 1131/2011 от 11 ноября 2011 г. о внесении поправок в Приложение II к Постановлению (ЕС) № 1333/2008 Европейского парламента и Совета в отношении стевиоловых гликозидов. Официальный журнал Европейского Союза L. 295/205 от 12.11.2011. Искать в Google Scholar

6. Богач А. Coca-cola и Cargill сотрудничают в разработке нового подсластителя (на польском языке).Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny. 2007; 7–8: 52–53. Искать в Google Scholar

7. EFSA. Панель EFSA по пищевым добавкам и источникам питательных веществ, добавленным в продукты питания (ANS). Научное заключение о безопасности стевиоловых гликозидов для предлагаемого использования в качестве пищевой добавки. EFSA J. 2010; 8 (4): 1537. Искать в Google Scholar

8. JECFA. Стевиоловые гликозиды (приложение). Оценка безопасности некоторых пищевых добавок. 69-е заседание Объединенного комитета экспертов ФАО / ВОЗ по пищевым добавкам Vol. 60. Женева: Серия ВОЗ по пищевым добавкам; 2009: 183–219.Искать в Google Scholar

9. Периче А., Кастелло М.Л., Эредиа А., Эскриче И. Влияние метода сушки на стевиоловые гликозиды и антиоксиданты в листьях Stevia rebaudiana. Food Chem. 2015; 172: 1–6. Искать в Google Scholar

10. Оливейра Ф.И., Родригес С., Фернандес Ф.А. Производство низкокалорийных малайских яблок путем двухстадийной замены сахара подсластителем на основе стевии. Пищевой процесс Bioprod. 2012 Октябрь; 90 (4): 713–718. Искать в Google Scholar

11. Гарсия-Ногера Дж., Веллер К.Л., Оливейра Ф.И., Родригес С., Фернандес Ф.А.Двухступенчатая замена сахара в клубнике подсластителем на основе стевии. Innov Food Sci Emerg. 2010 Янв; 11 (1): 225–230. Искать в Google Scholar

12. Витрова-Райхерт Д., Виктор А., Следо М., Новацка М. Избранные новейшие технологии для улучшения процесса сушки. Обзор. Dry Technol. 2014 август; 32 (11): 1386–1396. Искать в Google Scholar

13. Новацка М., Виктор А., Следо М., Юрек Н., Витрова-Райхерт Д. Сушка предварительно обработанного ультразвуком яблока и его отдельные физические свойства.J Food Eng. 2012 декабрь; 113 (3): 427–433. Искать в Google Scholar

14. Фернандес Ф.А., Галлао М.И., Родригеш С. Влияние осмоса и предварительной обработки ультразвуком на структуру клеток: обезвоживание дыни. LWT-Food Sci Technol. 2008 Май; 41 (4): 604–610. Искать в Google Scholar

15. Следз М., Виктор А., Новацка М., Витрова-Райхерт Д. Кинетика сушки, микроструктура и антиоксидантные свойства базилика, обработанного ультразвуком. J Food Process Eng. 2015. DOI: 10.1111 / jfpe.12271. Искать в Google Scholar

16.Виктор А., Следз М., Новацка М., Рыбак К., Витрова-Райхерт Д. Влияние иммерсионного и контактного ультразвукового лечения на отдельные свойства ткани яблока. Appl Acoust. 2016 1 февраля; 103: 136–142. Искать в Google Scholar

17. Fijalkowska A, Nowacka M, Wiktor A, Sledz M, Witrowa-Rajchert D. Ультразвук как метод предварительной обработки для улучшения кинетики сушки и сенсорных свойств сушеных яблок. J Food Process Eng. 2016 10 марта; 39 (3): 256–265. Искать в Google Scholar

18. Yildirim A, Öner MD, Bayram M.Влияние замачивания и ультразвуковой обработки на консистенцию нута. J Food Sci Technol. 2013. 50 (3): 455–465. Искать в Google Scholar

19. Lozano JE. Тепловые свойства продуктов. В кн .: Барбоса-Кановас Г.В., ред. Пищевая инженерия — Энциклопедия систем жизнеобеспечения. Оксфорд, Великобритания: ЮНЕСКО EOLSS; 2005: 45–64. Искать в Google Scholar

20. Кидон М., Чапски Дж. Влияние термической обработки на содержание беталаиновых пигментов и антирадикальную активность красной свеклы (на польском языке). Food Sci Technol Qual.2007. 50 (1): 124–131. Искать в Google Scholar

21. Лентас К., Витрова-Райхерт Д. Влияние параметров бланширования на механические свойства и цвет сушеного сельдерея (на польском языке). Acta Agrophysica. 2009. 13 (1): 165–174. Поиск в Google Scholar

22. Музаффар С., Ахмад М., Вани С.М., Гани А., Баба В.Н., Шах У и др. Ультразвуковое лечение: Влияние на физико-химические, микробные и антиоксидантные свойства вишни (Prunus avium). J Food Sci Technol. 2016; 53 (6): 2752–2759. Искать в Google Scholar

23.Новацка М., Тайлевич У., Лаги Л., Далла Роза М., Витрова-Райхерт Д. Влияние ультразвуковой обработки на состояние воды в киви во время осмотического обезвоживания. Food Chem. 2014; 144: 18–25. Искать в Google Scholar

24. Цао С., Ху З., Панг Б., Ван Х, Се Х, Ву Ф. Эффект ультразвуковой обработки гнили плодов и сохранение качества клубники после сбора урожая. Контроль пищевых продуктов. 2010 Апрель; 21 (4): 529–534. Искать в Google Scholar

25. AOAC International. Официальные методы анализа AOAC International, 17-е изд.920,15. Гейтерсбург: AOAC International; 2002 Поиск в Google Scholar

26. Хэнсон Э. Дж., Беггс Дж. Л., Бодри Р. М.. Применение хлорида кальция после сбора урожая для повышения упругости черники высокорослой. Hort Sci. 1993. 28 (10): 1033–1034. Искать в Google Scholar

27. Ковальски SJ, Szadzińska J. Конвективно-периодическая сушка вишни с предшествующей ультразвуковой осмотической дегидратацией. Chem Eng Process Process Intensif. 2014 август; 82: 65–70. Искать в Google Scholar

28. Knorr D, Zenker M, Heinz V, Lee DU.Применение и потенциал ультразвука в пищевой промышленности. Тенденции Food Sci Tech. 2004 Май; 15: 261–266. Искать в Google Scholar

29. Фернандес Ф.А., Галлао М.И., Родригеш С. Влияние осмоса и ультразвука на структуру клеточной ткани ананаса во время обезвоживания. J Food Eng. 2009 Янв; 90 (2): 186–190. Искать в Google Scholar

30. Nieto AB, Vicente S, Hodara K, Castro MA, Alzamora SM. Осмотическая дегидратация яблока: влияние сахара и активности воды на структуру тканей, реологические свойства и подвижность воды.J Food Eng. 2013. 119 (1): 104–114. Искать в Google Scholar

31. Новацка М., Веджик М. Влияние ультразвуковой обработки на микроструктуру, цвет и содержание каротиноидов в тканях моркови. Appl Acoust. 2016 1 февраля; 103: 163–171. Искать в Google Scholar

32. Тайлевич У., Рокули П., Новацка М., Романи С., Далла Роза М. Нетермическая обработка ломтиков яблока и киви для повышения качества и стабильности: Обзор. J Process Energy Agric. 2013. 17 (4): 158–162. Искать в Google Scholar

33.Комаров В.А. Справочник по диэлектрическим и тепловым свойствам материалов в диапазоне СВЧ. Великобритания: Artech House; 2012. Поиск в Google Scholar

34. Лисова Х., Вуец М., Лис Т. Влияние температуры и сорта на термические свойства яблок. Int Agrophys. 2001. 16 (1): 43–52. Искать в Google Scholar

Измерение тепловых эффектов ультразвуковой допплерографии: исследование in vitro

Аннотация

Цель

Ультразвук считается безопасным методом визуализации и обычно применяется на ранних сроках беременности.Однако высказываются оговорки относительно применения допплеровского ультразвука на ранних сроках беременности из-за излучения энергии ультразвукового зонда и его преобразования в тепло. Целью этого исследования было оценить тепловые эффекты доплеровского ультразвука, излучаемого различными ультразвуковыми аппаратами и датчиками, посредством повышения температуры тестовых сред in-vitro.

Методы

Мы исследовали выходную мощность 5 влагалищных и абдоминальных датчиков 3 ультразвуковых аппаратов (GE Healthcare, Siemens, Aloka).Два тестовых объекта in vitro были разработаны в Центре медицинской физики и биомедицинской инженерии Венского медицинского университета (водяная баня и гидрогелевая ванна). Повышение температуры при доплеровском излучении ультразвука измерялось с помощью термодатчиков, которые размещались внутри тестируемых объектов или на поверхности зондов. Каждый зонд излучает в течение 5 минут поглощающий тест-объект с 3 различными настройками TI / MI в режиме спектрального допплера.

Результаты

Во время теста с водяной баней повышение температуры колебалось в пределах 0.1 и 1,0 ° C, в зависимости от датчика, настройки и фокуса, и был признан самым высоким только для спектрального доплеровского режима. Максимальное повышение температуры было обнаружено во время испытания на нагрев поверхности, где значения до 2,4 ° C можно было измерить в течение 5 минут после выброса.

Выводы

Активация ультразвукового допплера в модели с водяной баней вызывает значительное повышение температуры в течение одной минуты. Нельзя исключить термическое воздействие на эмбрион при использовании ультразвуковой допплерографии на ранних сроках беременности.

Образец цитирования: Helmy S, Bader Y, Koch M, Tiringer D, Kollmann C (2015) Измерение тепловых эффектов ультразвукового допплера: исследование In Vitro . PLoS ONE 10 (8): e0135717. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0135717

Редактор: Бренда А. Уилсон, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн, США

Поступила: 26 апреля 2015 г .; Одобрена: 24 июля 2015 г .; Опубликовано: 24 августа 2015 г.

Авторские права: © 2015 Helmy et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в пределах бумажные и вспомогательные информационные файлы.

Финансирование: Авторы не получали специального финансирования на эту работу. Материал для проведения, если это исследование было предоставлено Центром медицинской физики и биомедицинской инженерии Ультразвуковой лабораторией Венского медицинского университета и кафедрой акушерства и гинекологии Венского медицинского университета.Авторы выражают признательность за финансовую поддержку публикации в открытом доступе, предоставленную Обществом Карла Ландштейнера, Институтом общей гинекологии и гинекологической онкологии. Спонсор не имел никакого отношения к дизайну исследования, сбору и анализу данных, принятию решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Ультразвук обычно считается безопасным методом визуализации в акушерстве.[1–3] Однако, когда ультразвук проходит через ткань, энергия поглощается компонентами ткани и преобразуется в тепло в зависимости от частоты и интенсивности. [4] Эти тепловые эффекты могут изменить равновесие между химическими реакциями и, следовательно, могут нанести вред окружающей ткани. [5–10] В официальном совместном заявлении Всемирной федерации ультразвука в медицине и биологии (WFUMB) и Международного общества ультразвука в акушерстве и гинекологии (ISUOG) об использовании допплерографии на ранних сроках беременности говорится, что использование медицинских Ультразвук в акушерстве безопасен для режимов B и M, но есть оговорки для допплеровского, особенно спектрального и цветного допплера.[11–13] Также Американский институт ультразвука в медицине (AIUM) высказывает оговорки относительно использования ультразвука на ранних сроках беременности. Несмотря на то, что никакие врожденные аномалии не могут быть четко связаны с использованием ультразвука, биоэффекты могут быть более тонкими и / или иметь низкую частоту. Поскольку эти эффекты трудно обнаружить с помощью эпидемиологических исследований, AIUM подчеркивает важность дальнейших лабораторных исследований для четкого определения физических механизмов ультразвука на ранних сроках беременности. [14]

Следовательно, обучение операторов ультразвуковой диагностики подчеркивает, что импульсное волновое допплеровское исследование (PW-Doppler) дает акустический выход высокой энергии и не должно использоваться в начале первого триместра беременности из-за риска потенциального повреждения хрупкого эмбриона.[15–18] Таким образом, допплеровское ультразвуковое исследование следует проводить только при наличии действительных медицинских показаний, и следует использовать минимально возможные настройки ультразвукового воздействия. [2,9,16,19]

В 1993 году Американское федеральное управление по лекарственным средствам (FDA) подняло верхний предел пространственно-пикового среднего временного значения (I _SPTA) коммерчески доступных ультразвуковых устройств с 94 мВт / см ² до 720 мВт / см ². С этого времени все УЗИ-мониторы должны отображать два показателя безопасности.Тепловой индекс (TI) — это отношение потребляемой мощности к мощности, необходимой для повышения температуры на 1 ° C. Более высокое значение TI указывает на более высокий потенциал нагрева ультразвукового зонда и, следовательно, более высокий фактический риск повреждения тканей, однако TI, равный 1, не означает автоматически повышение температуры на 1 ° C в любом месте в пределах ультразвукового поля. [14 ]

Есть три субиндекса: тепловой индекс мягких тканей (TIS), термический индекс в кости (TIB) и термический индекс в черепе (TIC).TIS предполагает, что ультразвук достигает только мягких тканей, как во время ультразвука в первом триместре, тогда как TIB должен соответствующим образом отображаться во втором и третьем триместре. TIC предполагает, что датчик расположен очень близко к кости и применяется у новорожденных, детей и взрослых пациентов. Второй индекс, который необходимо отобразить, — это механический индекс (MI), который предназначен для определения вероятности нетеплового биоэффекта, включая кавитацию, и связан с интенсивностью импульса.[11,20–22]

В рекомендациях по безопасности BMUS указано, что ИМ более 0,3 может увеличить риск капиллярного кровотечения, а ИМ выше 0,7 может вызвать кавитацию. Поэтому рекомендуется ограничивать ИМ ниже 0,7 при сканировании эмбриональной ткани.

Если во время сканирования с повышенным уровнем интенсивности происходят подсознательные физические изменения, потенциальные эффекты могут не проявиться. В этом исследовании in vitro мы стремились изучить тепловые эффекты различных ультразвуковых аппаратов и результирующее изменение температуры в ткани, окружающей зонд.Моделируя реалистичную настройку, в которой пользователь УЗИ не обучен конкретным подпараметрам ультразвукового аппарата (TIS / TIB / TIC), мы хотели продемонстрировать максимальный выход энергии, которого можно достичь при использовании различных ультразвуковых датчиков (вагинальных и абдоминальных). при разных настройках.

Материалы и методы

Для проведения этого эксперимента использовались три различных ультразвуковых аппарата, которые были доступны на кафедре акушерства и гинекологии Венского медицинского университета: GE Voluson E8, Siemens Versa Pro и Aloka Prosound alpha. 7.

Из этих ультразвуковых аппаратов мы исследовали как вагинальные, так и абдоминальные датчики. (Таблица 1)

Для тестов in vitro в Центре медицинской физики и биомедицинской инженерии (Венский медицинский университет) были разработаны два специальных тестовых объекта.

Один тестовый объект представлял собой заполненный водой стеклопластиковый куб, который содержал 4 тепловых микродатчика (Betatherm Ltd.) на 4 различных эквидистантных глубинах (2–5 см). Для каждого испытания конкретный зонд помещали на поверхность объекта водяной бани таким образом, чтобы все термодатчики находились в пределах ультразвукового луча (рис. 1). Чтобы предотвратить множественные отражения или стоячие волны, дно воды — заполненный тестовый объект был покрыт высокоэффективным демпфирующим материалом (Aptflex, Precision Acoustics, Великобритания).

Рис. 1. Тестовый объект «Водяная баня».

Заполненный водой куб из плексигласа, содержащий 4 термомикродатчика (Betatherm Ltd.) на 4 различных эквидистантных глубинах (2–5 см). Для каждого испытания конкретный зонд помещали на поверхность объекта водяной бани таким образом, чтобы все термодатчики находились в пределах ультразвукового луча.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0135717.g001

Термодатчики имели диаметр 0,46 мм и длину активной области 3.18 мм с быстрым временем теплового отклика 200 мс. Все датчики были подключены через мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь (10-битный, National Instruments) к ПК. Данные от датчиков (частота дискретизации 5 Гц) были визуализированы и сохранены с помощью специальной программы сбора данных с использованием DASYLab 1992–2013 (National Instruments Ireland Resources Limited). В процессе разработки датчики были откалиброваны в диапазоне температур 15–50 ° C с общим допуском ± 0,2 ° C.

Во время предварительных испытаний настройки каждой системы ультразвукового аппарата были изменены для получения максимального отображаемого значения теплового индекса (TI), доступного для каждого датчика и консоли.

Эти предварительные испытания были выполнены для имитации реальности, в которой любой пользователь ультразвукового устройства может индивидуально изменить настройки. Затем полученные настройки были задокументированы вместе с отображаемыми значениями TI и Mechanical Index (MI) и использованы для следующих измерений.

После размещения неизлучающего зонда на тестовом объекте объем образца и фокус были направлены на глубину второго сенсора (на 3 см).

Это было сделано, чтобы показать, что на нагрев датчика не влияет поверхность датчика, а только его настройки.Это было подтверждено, поскольку датчик, ближайший к зонду (2 см), не достиг температуры, как второй датчик ниже (3 см).

Доплеровский тракт был устроен таким образом, что все термодатчики (2–5 см) касались этой виртуальной линии.

Затем ультразвуковую систему разморозили, и профиль нагрева был измерен в течение 1 минуты для всех датчиков. Этот процесс повторяли 2 раза после фазы охлаждения продолжительностью 5 минут.

Для измерения поверхностного нагрева был разработан второй тестовый объект, аналогичный первому, но содержащий гидрогель вместо воды.Все стороны и дно плексигласа были покрыты одним и тем же демпфирующим материалом (Aptflex, Precision Acoustics, Великобритания). В частности, на поверхности зонда область, которая содержит активные элементы для выбранного режима, очень быстро нагревается. Нагрев поверхности различных зондов измерялся с помощью датчика, который был прикреплен к поверхности зонда в пределах доплеровского пути прохождения звука. (Рис 2).

Рис. 2. Тестовый объект поверхностного нагрева.

Куб Persplex, содержащий гидрогель; боковые стороны покрыты демпфирующим материалом (Aptflex, Precision Acoustics, Великобритания).Нагрев поверхности различных зондов измерялся с помощью датчика, который был прикреплен к поверхности зонда в пределах доплеровского пути прохождения звука.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0135717.g002

Всего мы исследовали нагрев поверхности 5 различных датчиков 2 систем (TV 4–8, CV 4–8: Aloka; RAB 4–8 ABD, IC 5-9D, RIC 6–12: GE).

Во время эксперимента каждый зонд в течение 5 минут излучал в поглощающий тестовый объект с 3 различными настройками TI / MI в режиме спектрального допплера и программе транскраниального допплера, чтобы обеспечить самые высокие выходные значения системы.

Утверждение

Institutional Review Board (IRB) для этого исследования не требовалось.

Результаты

Размеры водяной бани

Результаты всех измерений и датчиков показывают отклонение от 0,1 до 1,0 ° C, в зависимости от датчика, настройки и фокуса.

В таблице 2 показано максимальное повышение температуры через 1 мин при специальных настройках TI / MI в модели с водяной баней.

Измерения поверхностного отопления

Мы можем измерить значения до 2.Повышение температуры на 4 ° C в течение пяти минут после выброса. (Таблица 3) Мы могли наблюдать тенденцию, согласно которой зонды с количеством активных элементов от 145 до 192 показали максимальное повышение температуры при испытании на нагрев поверхности.

В общей сложности пять исследованных датчиков (Aloka и Siemens) превысили рекомендуемые пороговые уровни TI для рутинного ультразвукового исследования, установленные Британским медицинским ультразвуковым обществом (BMUS). [23]

Наибольшее повышение температуры наблюдалось при испытаниях на нагрев поверхности, тогда как при испытании на водяной бане было показано более низкое повышение температуры.

Обсуждение

Повышение температуры зависит от выбранных специальных режимов (цветовой (CD), спектральный (SD), комбинация) и немного выше только для спектрального доплеровского режима. Кроме того, это зависит от положения фокуса и объема образца в поле: если оба положения совпадают и датчик находился в этом положении, можно было измерить максимальное повышение температуры. Датчики выше или ниже измеряют нижний предел. Кроме того, зонды с увеличивающимся количеством активных элементов показали максимальное изменение MI, в то время как остается неясным, влияет ли количество активных элементов на TI.

Наши результаты показали, что измеренное повышение температуры и TI напрямую не связаны. TI — это расчетное значение, которое позволяет лишь приблизительно оценить повышение температуры. Поэтому пользователю ультразвуковой системы может быть трудно оценить, где в звуковом поле может произойти наибольшее повышение температуры. Кроме того, повышение температуры зависит от настроек системы и используемого датчика.

В ходе этого исследования мы сосредоточились на TI, но не исследовали MI.Таким образом, наши результаты связаны с измерением повышения температуры через температурные рецепторы, а не с механическими эффектами, которые вызваны интенсивностью импульса, испускаемого ультразвуковым датчиком.

Однако повышение температуры, вызванное ультразвуковой допплерографией, может оказывать биотермическое воздействие на ткань.

Эпидемиологические исследования среди людей показали, хотя и являются спорными, что может существовать связь между воздействием ультразвука во время беременности и некоторыми чертами, такими как леворукость, меньшая масса тела при рождении и задержка речи.[24,25] Недавнее исследование на мышах, кроме того, предположило потенциальную корреляцию с аутизмом, поскольку щенки, подвергшиеся внутриматочному ультразвуковому исследованию, проявили значительно меньший интерес к социальному взаимодействию по сравнению с имитационной группой. [26]

Термоиндуцированные биоэффекты ультразвука, которые могут даже привести к тератогенезу, уже предлагались в различных исследованиях, включая исследования in vitro и на животных. [8,10,16,24,27–31]

В разделе результатов мы смогли продемонстрировать максимальное повышение температуры во время теста на нагрев поверхности.Это открытие может быть особенно актуальным для использования вагинальных датчиков на ранних сроках беременности, поскольку поверхность датчиков находится в непосредственной близости от эмбриона.

Одно из ограничений этого исследования состоит в том, что по этическим причинам нецелесообразно тестировать термические эффекты с помощью ультразвуковой допплера на живых эмбрионах человека — поэтому мы зависим от предположений, вытекающих из исследований на животных и теоретических исследовательских моделей. Таким образом, недостатком нашего исследования является то, что мы не можем напрямую сделать клинический вывод из этого исследования in vitro о влиянии допплерографии на беременность на ранних сроках.В нашем исследовании in vitro мы экспериментировали с различными настройками TI, а также с настройками TI, которые не должны использоваться при сканировании на ранних сроках беременности, чтобы продемонстрировать максимально возможное увеличение тепла. Ультразвуковое сканирование обычно проводится на ранних сроках беременности, однако в действительности не все специалисты по ультразвуковому обследованию могут иметь опыт работы с ультразвуковыми аппаратами и, следовательно, могут случайно работать с настройками TI, которые не подходят на ранних сроках беременности.

С другой стороны, наши экспериментальные условия не могли учитывать специфическую физиологию матери и плода in vivo.Тепло, выделяемое ультразвуковым датчиком, может немедленно рассеиваться через кровообращение матери и / или плода. Мы также не воспроизводили слои ткани, обычно отделяющие ультразвуковой датчик от ранней беременности, включая околоплодные воды. Однако в наших измерениях на водяной бане мы смогли показать, что на нагрев сенсора влияла не поверхность зонда, а только его настройки. Датчик, на который был направлен фокус, достиг более высокой температуры, чем датчик, расположенный ближе к поверхности зондов.Эти результаты могут свидетельствовать о том, что тканевые барьеры между датчиком и беременностью на ранних сроках могут не иметь значения, если в центре внимания находится плод.

Одной из сильных сторон настоящего исследования является то, что эксперимент in vitro проводился в условиях сотрудничества между отделением гинекологии и отделением медицинской физики, что, таким образом, включает в себя как клиническую, так и техническую перспективу.

Мы пришли к выводу, что необходимо строго соблюдать рекомендации по безопасному использованию ультразвуковой допплерографии, поскольку допплерография может повышать температуру окружающих тканей, что может иметь неизвестные последствия для эмбриона.Наш эксперимент in vitro показал, что при активации ультразвукового допплера температура in situ повышалась до 1 ° C в течение одной минуты во время теста на водяной бане. Следовательно, ультразвуковая допплерография на ранних сроках беременности должна применяться только при необходимости и в кратчайшие сроки. С помощью этого исследования мы можем подтвердить консенсусный документ BMUS о безопасном использовании ультразвуковой допплерографии на ранних сроках беременности.

Благодарности

Мы признательны за финансовую поддержку публикации в открытом доступе, предоставленную Обществом Карла Ландштейнера, Институтом общей гинекологии и гинекологической онкологии.

Вклад авторов

Эксперимент задумал и спроектировал: SH CK. Проведены эксперименты: SH YB CK. Проанализированы данные: SH YB MK DT CK. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: CK. Написал статью: SH YB MK DT CK.

Ссылки

1. Merritt CR (1989) Ультразвуковая безопасность: каковы проблемы? Радиология 173: 304–306. pmid: 2678243
2. Abramowicz JS (2013) Преимущества и риски УЗИ при беременности.Семин Перинатол 37: 295–300. pmid: 24176149
3. Торлони М.Р., Ведмедовская Н., Мериалди М., Бетран А.П., Аллен Т. и др. (2009) Безопасность ультразвукового исследования при беременности: систематический обзор литературы и метаанализ ВОЗ. Ультразвуковой акушерский гинекол 33: 599–608. pmid: 192
4. O’Brien WD Jr. (2007) Механизмы ультразвуковой биофизики. Prog Biophys Mol Biol 93: 212–255. pmid: 16934858
5. Хоскинс П. МК, Труш А., Уиттингем Т.А. (2003) Диагностический ультразвук; Физика и оборудование.Лондон Гринвич Медикал.
6. Мейзнер I (2012) [Что врачи понимают в отношении безопасности использования ультразвука во время беременности?]. Harefuah 151: 234–236, 252. pmid: 22616153
7. Браун Дж. Э., Рамнарин К. В., Уотсон А. Дж., Хоскинс П. Р. (2003) Оценка акустических свойств обычных тестовых фантомов, имитирующих ткань. Ультразвук Med Biol 29: 1053–1060. pmid: 12878252
8. Church CC, Miller MW (2007) Количественная оценка риска воздействия на плод диагностического ультразвука.Prog Biophys Mol Biol 93: 331–353. pmid: 16949653
9. Houston LE, Odibo AO, Macones GA (2009) Безопасность акушерского УЗИ: обзор. Пренат Диаг 29: 1204–1212. pmid: 19899071
10. (1999) Термическая тератология. Европейский комитет по медицинской ультразвуковой безопасности (ECMUS). Eur J Ultrasound 9: 281–283. pmid: 10657603
11. Общество СГОТБМУ (2009) Руководство по безопасному использованию диагностического ультразвукового оборудования. В кн .: Общество ТБМУ, ред.
12. Hershkovitz R, Sheiner E, Mazor M (2002) Ультразвук в акушерстве: обзор безопасности. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol 101: 15–18. pmid: 11803093
13. Wfumb / Isuog (2013) Заявление WFUMB / ISUOG о безопасном использовании ультразвуковой допплерографии в течение 11–14 недель сканирования (или ранее во время беременности). Ультразвук Med Biol 39: 373. pmid: 23398714
14. Фаулкс Дж. Б., Комитет по биоэффектам Американского института ультразвука в M (2008). Консенсусный отчет Американского института ультразвука в медицине о потенциальных биоэффектах диагностического ультразвука: резюме.J Ultrasound Med 27: 503–515. pmid: 18359906
15. Abramowicz JS, Kossoff G, Marsal K, Ter Haar G, Международное общество ультразвука в O и др. (2003 г.) Заявление о безопасности, 2000 г. (подтверждено в 2003 г.). Международное общество ультразвука в акушерстве и гинекологии (ISUOG). Ультразвуковой акушерский гинеколь 21: 100. pmid: 12528176
16. Bly S, Van den Hof MC, Комитет по диагностической визуализации SoO, гинекологи C (2005) Биологические эффекты и безопасность акушерского ультразвука.J Obstet Gynaecol Can 27: 572–580. pmid: 16100635
17. Barnett SB, Maulik D, International Perinatal Doppler S (2001) Руководства и рекомендации по безопасному использованию ультразвуковой допплерографии в перинатальных приложениях. J Matern Fetal Med 10: 75–84. pmid: 113
18. Хендерсон Дж., Уилсон К., Яго Дж. Р., Уиттингем Т.А. (1995) Обзор акустических выходов диагностического ультразвукового оборудования в текущем клиническом использовании. Ультразвук Med Biol 21: 699–705. pmid: 8525560
19.тер Хаар Г.Р., Абрамович Дж.С., Акияма И., Эванс Д.Х., Зискин М.С. и др. (2013) Нужно ли ограничивать использование допплерографии в первом триместре беременности? Ультразвук Med Biol 39: 374–380. pmid: 23332816
20. Коллманн К., тер Хаар Г., Долезал Л., Хеннеричи М., Сальвесен К.А. и др. (2013) Излучение ультразвука: тепломеханические показатели. Ultraschall Med 34: 422–431; викторина 432–424. pmid: 23860856
21. Kollmann C (2007) Новые сонографические методы для построения гармонических изображений — лежащие в основе физические принципы.Eur J Radiol 64: 164–172. pmid: 17875378
22. Sheiner E, Abramowicz JS (2012) Симпозиум по акушерскому УЗИ: все ли это безопасно для плода? Clin Obstet Gynecol 55: 188–198. pmid: 22343238
23. Общество) TBMUSSGotBMU (2003) Руководство по безопасному использованию диагностического ультразвукового оборудования.
24. Эдвардс MJ, Shiota K, Smith MS, Walsh DA (1995) Гипертермия и врожденные дефекты. Reprod Toxicol 9: 411–425. pmid: 8563185
25.Salvesen KA (2002) EFSUMB: руководство по безопасности: эпидемиология диагностического ультразвукового воздействия во время беременности — Европейский комитет по медицинской ультразвуковой безопасности (ECMUS). Eur J Ultrasound 15: 165–171. pmid: 12423743
26. McClintic AM, King BH, Webb SJ, Mourad PD (2014) Мыши, подвергшиеся диагностическому ультразвуку в утробе матери, менее общительны и более активны в социальных ситуациях по сравнению с контрольной группой. Аутизм Res 7: 295–304. pmid: 24249575
27. Abramowicz JS, Barnett SB, Duck FA, Edmonds PD, Hynynen KH, et al.(2008) Тепловые эффекты диагностического ультразвука на плод. J Ultrasound Med 27: 541–559; викторина 560–543. pmid: 18359908
28. Horder MM, Barnett SB, Vella GJ, Edwards MJ, Wood AK (1998) Нагревание мозга плода морской свинки с помощью импульсного ультразвука и оценки теплового индекса in vivo. Ультразвук Med Biol 24: 1467–1474. pmid: 10385968
29. Pfaffenberger S, Vyskocil E, Kollmann C, Unger E, Kaun C и др. (2013) Транстемпоральное ультразвуковое исследование потенциально повышает температуру мозга: результаты антропоморфной модели черепа.Ultraschall Med 34: 51–57. pmid: 22872379
30. Vyskocil E, Pfaffenberger S, Kollmann C, Gleiss A, Nawratil G и др. (2012) Тепловые эффекты диагностического ультразвука в антропоморфной модели черепа. Ultraschall Med.
31. Дженш Р.П., Брент Р.Л. (1999) Внутриутробные эффекты ультразвука: исследования на животных. Тератология 59: 240–251. pmid: 10331527

Влияние ультразвуковой вибрации на микроструктуру и механические свойства высоколегированного TiAl

Когда ультразвуковая волна распространяется в расплав, возникают три основных явления — ультразвуковая кавитация, акустическое течение и давление акустического излучения. ².Из-за эффекта ультразвуковой кавитации он может генерировать бесчисленные микровыступы во время схлопывания кавитации, в которой переходная температура достигает 5000 К, а давление достигает 5 ГПа ^19,20,21. Акустический поток может значительно ускорить поток расплава в 10 раз больше теплового потока, что значительно улучшит теплопередачу и обмен растворенного вещества, что приведет к однородной температуре и полю растворенного вещества ²². Как и механическая волна, ультразвуковая вибрация должна вызывать градиент давления, ведущий к дополнительному статическому напору, который может оказывать значительное влияние на поток и подачу расплава.

Как правило, для определенного расплава существует пороговое значение интенсивности ультразвука ( I ), которое является наименьшей энергией, необходимой для полностью развитой ультразвуковой кавитации ², и только выше порогового значения ультразвуковая вибрация может эффективно влиять на расплав. Интенсивность ультразвука ( I ) определяется как следующая форма, ссылки 23 и 24,

, где ρ — плотность среды распространения, c — скорость ультразвука в среде распространения , f — ультразвуковая частота, а A — ультразвуковая амплитуда.В этой работе максимально доступная амплитуда ультразвука на излучающей поверхности составляет около 5 ~ 7 мкм. Предполагая, что расплав сплава Ti44Al6Nb1Cr2V = 4000 кг · м ^-3 и c = 1500 м · с ^-1, номинальная максимальная интенсивность ультразвука составляет около 1000 Вт · см ^-2. Согласно предыдущему исследованию ², пороговое значение интенсивности ультразвука в металлах и сплавах составляет около 80 ~ 100 Вт / см ^-2, поэтому ультразвуковая вибрация может эффективно влиять на расплавленный расплав в этом исследовании.Как обсуждалось выше, ультразвуковая вибрация, очевидно, улучшила грубую пластинчатую колонию, уменьшила сегрегацию элементов и устранила осажденные фазы ( B ₂). После ультразвуковой вибрации грубая микроструктура хорошо трансформируется в однородную мелкозернистую структуру, а также существенно улучшаются микротвердость и свойства сжатия.

При свободном затвердевании без ультразвуковой вибрации из-за поглощения тепла и бокового рассеивания тепла керамической формой отливка будет постепенно затвердевать от поверхности к центру, оставляя полость в средней-верхней части; из-за сильной усадки при затвердевании сплавов на основе TiAl расплавленного расплава недостаточно для подачи в полость, поэтому на верхней части образца образуется большая усадочная полость.Напротив, при ультразвуковой вибрации из-за однородной температуры и поля растворенного вещества из-за акустического потока отливка склонна к объемному затвердеванию, что способствует устранению усадочной полости. Однако объемное затвердевание имеет большую тенденцию вызывать диспергированную усадочную пористость. Критерий формирования пористости при усадке равен,

, где P _g — давление выделения газа, P _s — сопротивление подаче, P ₀ — атмосферное давление, σ — межфазное натяжение, r — радиус полости и P _H — металл статическая голова.Для определенного процесса затвердевания P _{g ,} P ₀, P _H и σ сохраняют постоянные значения; P _s связано с морфологией дендрита и размером зерна; r может существенно зависеть от содержания газа. После ультразвуковой вибрации грубая микроструктура преобразуется в мелкодисперсную структуру недендритных зерен, что позволяет избежать блокировки межзеренного канала подачи и уменьшить расстояние подачи, поэтому ультразвуковая вибрация может снизить сопротивление подачи ( P _s).Из-за эффекта дегазации ультразвуковой вибрации ²⁵ радиус полости ( r ) уменьшится, что приведет к более высокому сопротивлению давлению. Кроме того, давление акустического излучения создаст дополнительный статический напор ( P _A), поэтому уравнение. 6 адаптирован к,

И дополнительный статический напор ( P _A) может быть рассчитан по,

Согласно формуле.7, можно рассчитывать, что максимальное значение P _A = 2,77 × 10 ⁶ Па до 20-кратного атмосферного давления ( P ₀ ), что уменьшит тенденцию к формированию усадочной пористости. Подводя итог вышеизложенному, можно сказать, что ультразвуковая вибрация может эффективно устранить усадочную полость и пористость, получая отливку высокого качества.

Хотя многочисленные исследования подтвердили высокоэффективное измельчение зерна и модификацию морфологии с помощью ультразвуковой вибрации, существуют большие разногласия по поводу механизма измельчения из-за отсутствия теоретической основы и визуализированных экспериментальных наблюдений ^2,4,6.На данный момент наиболее обширным механизмом является теория зародышеобразования с усиленной кавитацией, основанная на эффекте ультразвуковой кавитации, в которой эффективность измельчения зерна зависит от интенсивности ультразвука и более высокой интенсивности — измельчающего зерна.

Когда ультразвуковая вибрация распространяется через расплав, интенсивность и амплитуда ультразвука будут уменьшаться или ослабляться с увеличением расстояния распространения из-за поглощения и отражения расплава ²³. Затухание интенсивности ультразвука ( I ) как расстояние распространения ( x ) описывается как,

, где I ₀ — начальная интенсивность ультразвука, а α — коэффициент затухания.Комбинируя уравнения 5 и 9, можно вывести

, где A ₀ — это начальная амплитуда ультразвукового сигнала. Предыдущее исследование Ma qian et al . ²³ показывает, что зависимость плотности зерна ( G ) от ультразвуковой амплитуды ( A ) принципиально аналогична по направлению распространения и затуханию ультразвуковой амплитуды ( A ) с Расстояние распространения можно оценить по вариациям плотности зерна ( G ) с расстоянием распространения.Таким образом, плотность зерна ( G ) в качестве расстояния распространения может быть сформирована из

, где G ₀ начальная плотность зерна. Поскольку размер зерна ( D ) показывает обратную связь с плотностью зерна ( G ), поэтому распределение размера зерна по длине распространения ультразвука подчиняется следующему уравнению:

, где D ₀ — исходный размер зерна.Следовательно, размер зерна должен экспоненциально уменьшаться с увеличением расстояния распространения. Однако в нашем исследовании разница в размерах зерен (здесь относится к размеру пластинчатых колоний) вдоль образца сверху вниз очень крошечная, и размер зерна дается как среднестатистический размер зерна.

Теоретически средний размер зерна после ультразвукового измельчения можно рассчитать с помощью,

, где L — расстояние распространения при критической интенсивности ультразвука ( I _b, порог ценить).Принимая во внимание однородное температурное поле за счет ультразвуковой вибрации, можно предположить, что коэффициент затухания ( α ) постоянен вдоль направления распространения ультразвука,

, где αL = ln ( I ₀ / I _b) / 2 на основе уравнения. 9. Как показывает формула. 14, теоретический средний размер зерна определяется только исходным размером зерна и интенсивностью ультразвука.

В нашем исследовании эффективность измельчения зерна ( E ) как время ультразвуковой вибрации ( t ) определяется как,

, где D ( t ) равно размер зерна измельчения при разном времени ультразвуковых колебаний.Изменение эффективности измельчения зерна в зависимости от времени ультразвуковой вибрации показано на рис. 11. Эффективность измельчения зерна увеличивается по мере увеличения времени ультразвуковой вибрации, и эффективность измельчения зерна заметно улучшается до 82,2% в первые 15 с. Однако по мере дальнейшего увеличения времени ультразвуковой вибрации эффективность измельчения зерна остается постоянной с небольшим приращением. Таким образом, эффективность измельчения зерна ультразвуковой вибрацией не имеет большого значения для времени обработки, и эффективность измельчения зерна может достигнуть максимального значения за очень короткое время.

Рисунок 11
Эффективность измельчения зерна при различном времени ультразвуковой вибрации.
Подгоночная кривая эффективности измельчения зерна как время ультразвуковой вибрации показана на рис. 11, а формула подбора оптимизирована как:
Согласно уравнению. 16, эффективность измельчения зерна экспоненциально увеличивается с увеличением времени ультразвуковой вибрации, и существует теоретический предел максимальной эффективности измельчения зерна E _lim = 88%.
Как следствие, можно вывести теоретический средний размер зерна на основе уравнения. 15,
Аналогичным образом, комбинируя уравнение. 14 можно сделать вывод о теоретической критической интенсивности ультразвука ( I _b),
Это сложная функция, и собственное значение оценивается графическим аналитическим методом, в котором I _b считается примерно на 120 Вт на см ⁻², что намного выше, чем у легких сплавов (80 ~ 100 Вт см ⁻²).
Образование, рост, расширение и схлопывание одного кавитационного пузырька продолжается только в течение нескольких периодов цикла, и схлопывание одного кавитационного пузырька разделится на несколько микропузырьков, которые станут новыми кавитационными пузырьками в цепной реакции ². Из-за высокой ультразвуковой частоты до 20 кГц, как только ультразвуковые колебания высокой интенсивности распространяются в расплаве, в результате цепной реакции за несколько миллисекунд мгновенно возникают бесчисленные кавитационные пузырьки.В результате размер зерна может быть значительно уменьшен за разное короткое время ультразвуковой вибрации (15 с), как показано на фиг.5, а эффективность измельчения зерна почти остается постоянной для дальнейшего увеличения времени ультразвуковой вибрации, как показано на фиг. 11.
Напротив, эффективность быстрого измельчения зерна представляет собой большое противоречие с теорией ²⁶ фрагментации дендритов, вызванной кавитацией, которая является еще одним преобладающим механизмом ультразвукового измельчения. В теории фрагментации дендритов, вызванной кавитацией, ультразвуковая вибрация может разрушать дендриты, а измельчение зерна происходит за счет размножения дендритов.Однако при начальном затвердевании дендритные кристаллы отсутствуют, и невозможно вызвать явное измельчение зерна за разное короткое время путем фрагментации дендрита. Обобщая приведенный выше анализ, теория фрагментации дендритов, вызванная кавитацией, не может быть или, по крайней мере, не доминирующим механизмом для ультразвукового измельчения в сплавах на основе TiAl.
Поскольку легирующие элементы β (Nb, Cr, V) могут расширять фазовую область β , эквивалентная бинарная фазовая диаграмма Ti-Al будет отклоняться от диаграммы равновесия в сторону более высокого содержания Al, что приведет к более высокому содержанию алюминия. соотношение фаз α ₂ -Ti ₃ Al и γ -TiAl теоретически ^27,28.Однако после ультразвуковой вибрации соотношение фаз α ₂ -Ti ₃ Al и γ -TiAl постепенно увеличивается по мере того, как время ультразвуковой вибрации, подразумевая, что эквивалентная двоичная диаграмма Ti-Al возвращается обратно близко к диаграмме равновесия. Можно сделать вывод, что ультразвуковая вибрация может ослабить влияние легирующих элементов β на диаграмму равновесия и способствовать затвердеванию, более близкому к равновесному затвердеванию.
Поскольку однородная температура и поле растворенного вещества за счет акустического потока, все кристаллы образуются и растут в однородном расплаве, что способствует уменьшению сегрегации элементов. Кроме того, из-за более мелкого размера зерна и более высокой текучести расплава после ультразвуковой вибрации расстояние диффузии растворенного вещества, очевидно, уменьшается, а коэффициент диффузии, по-видимому, одновременно увеличивается, поэтому разница концентраций растворенного вещества становится меньше, что приводит к равномерному распределению элементов.
Без ультразвуковой вибрации, как крупная пластинчатая колония, существует большое количество остаточных пространств между границами зерен (см. Рис. 12), что приводит к большему количеству остаточного расплава, поэтому образуется огромное количество крупных объемных осажденных фаз ( B ₂) на границе зерен. При измельчении зерна под действием ультразвуковой вибрации большая часть осажденных в объеме фаз ( B ₂) постепенно растворяется в пластинчатую колонию, и большее количество легирующих элементов перераспределяется в пластинчатую колонию, что приводит к более близкому к равновесному уровню легирующего состава.
Рис. 12. Влияние ультразвуковой вибрации на обогащение растворенного вещества на границе выращивания кристаллов.
( a ) без ультразвуковой вибрации; ( b ) при ультразвуковой вибрации.
Несмотря на удаление осажденных фаз ( B ₂) с помощью ультразвуковой вибрации, сегрегация легирующих элементов в выделившихся фазах ( B ₂) становится более серьезной, чем время ультразвуковой вибрации, поскольку проиллюстрировано на рис.7. В теории составного переохлаждения ²⁹ растворенное вещество постепенно обогащается на границе раздела кристаллов за счет перераспределения растворенного вещества во время процесса роста кристалла. Существует критическая концентрация растворенного вещества, которая представляет собой минимальную концентрацию растворенного вещества, необходимую для переохлаждения, вызывающего образование зародыша нового кристалла. Когда концентрация растворенного вещества достигает критической концентрации растворенного вещества, кристалл перестанет расти, образуя новое ядро кристалла. При свободном затвердевании без ультразвуковой вибрации из-за равномерного конкурентного роста кристаллов перекрытие полей растворенного вещества ( r ₁) между соседними кристаллами отсутствует, и концентрация растворенного вещества достигает критической концентрации ( C ₁) на границе зерен ³⁰, как показано на рис.12 (а).
В теории ультразвуковой кавитации во время схлопывания кавитации в микрогорячей точке создается высокое давление до 5 ГПа. Температура кристаллизации ( T _P) и давление ( P ) подчиняются уравнению Клаузиуса-Клапейрона,
Где T ₀ — температура ликвидуса при атмосферном давлении ( P ₀), ∆V _m и ∆H _m изменение молярного объема и изменение молярной энтальпии в процессе плавления, соответственно.Следовательно, можно считать, что высокое давление, вызванное ультразвуковой кавитацией, должно существенно улучшить температуру кристаллизации, что эквивалентно улучшению термического переохлаждения. Как следствие, поле растворенного вещества будет увеличено от составляющей области переохлаждения ( r ₂) до ультразвуковой области ( r ₃), что приведет к перекрытию области обогащения растворенного вещества, как показано на Рис. 12 (б). Таким образом, после ультразвуковой вибрации обогащение растворенным веществом перекрывается на границе зерен, что приводит к более сильной сегрегации элементов в осажденных фазах ( B ₂).При измельчении зерна в качестве времени ультразвуковых колебаний составляющая область переохлаждения ( r ₂) становится меньше, а область перекрытия ( r ₃) увеличивается, поэтому коэффициент сегрегации элементов постепенно увеличивается. с временем ультразвуковой вибрации. С другой стороны, элементы Cr и V показывают более высокий коэффициент разделения, что приводит к более высокому обогащению элементов во время перераспределения растворенных веществ, поэтому Cr и V представляют больший коэффициент сегрегации.
В теории упрочнения мелких зерен граница раздела препятствует движению дислокаций, формируя скопления дислокаций, и предотвращает распространение трещин, а эффект упрочнения зависит от количества границ зерен ³¹. По мере измельчения зерен размножение дислокаций и распространение трещин рассредоточиваются по большему количеству границ зерен, что благоприятно сказывается на снижении концентрации внутренних напряжений и улучшении интегральной пластической деформации. Для устранения факторов неопределенности и определения влияния времени ультразвуковой вибрации на характеристики образец без ультразвуковой вибрации не рассматривается в следующих обсуждениях прочности.В этом исследовании изменение размера ламеллярных колоний в зависимости от предела текучести и прочности на сжатие показано на рис. 13, и как предел текучести, так и прочность на сжатие увеличиваются по мере уменьшения размера ламеллярных колоний.
Рисунок 13
Изменение предела текучести и прочности на сжатие в зависимости от размера пластинчатых колоний.
Согласно уравнению Холла-Петча существует линейная зависимость между прочностью материала ( σ ) и размером зерна ( D ),
Где k и b — константы.Подгоночная кривая для предела текучести и прочности на сжатие с размером пластинчатых колоний проиллюстрирована на рис. 13. Очевидно, что предел текучести и размер пластинчатых колоний подчиняются уравнению Холла-Петча, в то время как прочность на сжатие демонстрирует экспоненциальную зависимость от пластинчатой колонии. размер колонии. Следовательно, при ультразвуковой вибрации повышение предела текучести обеспечивается за счет упрочнения мелкозернистого материала, и существует еще один механизм упрочнения для повышения прочности на сжатие.
Помимо измельчения зерна, ультразвуковая вибрация уменьшила сегрегацию элементов, устранила большие объемные осажденные фазы ( B ₂) и способствовала увеличению количества легирующих элементов, равномерно распределенных в пластинчатой колонии. Мелкие осажденные частицы ( B ₂) могут снизить концентрацию напряжений, уменьшая возникновение трещин, а большее количество легирующих элементов улучшит упрочнение раствора, что является основным вкладом в повышение прочности на сжатие.С другой стороны, чем выше прочность фазы γ -TiAl, уменьшение фаз γ -TiAl приведет к снижению прочности. В заключение, постоянная прочность на сжатие с временем ультразвуковой вибрации является конкуренцией восстановления фаз γ -TiAl и упрочнения раствора.
На рисунке 14 показана зависимость предела текучести от микротвердости, причем предел текучести, по-видимому, улучшается с увеличением микротвердости, что показывает линейную зависимость, как показано линейной аппроксимационной кривой.Следовательно, разумно вывести увеличение микротвердости в результате упрочнения мелкого зерна ультразвуковой вибрацией, а также увеличения предела текучести.
Рисунок 14
Зависимость предела текучести от микротвердости.
При микропластической деформации основной деформацией является упругая деформация с небольшой пластической деформацией за счет движения дислокации, и образцы подвергаются микропластической деформации во время испытаний на микротвердость и предел текучести.Большинство движений дислокаций блокируются границей зерен, что приводит к эффектам усиления ^32,33. Следовательно, приросту микротвердости и повышению предела текучести способствует упрочнение с измельчением зерна ультразвуком.
В процессе разрушения при сжатии образец подвергается макропластической деформации, и преобладающим механизмом деформации является граничное скольжение, сопровождающееся скольжением внутризеренных дислокаций и двойников деформации, поэтому прочность на сжатие является результатом взаимной конкуренции между размягчением внутренней части зерен и упрочнение границ зерен ^34,35.
С увеличением макропластической деформации все больше скоплений дислокаций собирается в выделившейся фазе на границе зерен, что вызывает высокую концентрацию напряжений, вызывающую зарождение трещины, и трещины распространяются вдоль или поперек пластинчатых образований межзеренной зоны. -пластинчатый перелом ( L ₁) и транс-пластинчатый перелом ( L ₂), как показано на Рис. 15 (a). Крупные объемные осажденные фазы ( B ₂) могут предотвратить рост трещины и изменить направление распространения, образуя межпластинчатую трещину ( L ₃) или транс-пластинчатую трещину ( L _{). 4}).Принимая во внимание внутренние характеристики интерметаллидов, в кристаллах α ₂ -Ti ₃ Al и γ -TiAl при комнатной температуре ³⁶ возникают проблемы с дислокационным скольжением и двойниками деформации, поэтому макро- пластическая деформация в решающей степени зависит от граничного скольжения.
Рисунок 15
Принципиальная схема перелома пластинчатой колонии: ( a ) без ультразвуковой вибрации; ( b ) при ультразвуковой вибрации.
При ультразвуковой вибрации из-за большего упрочнения раствора затрудняется проскальзывание дислокаций и двойники деформации в кристаллах α ₂ -Ti ₃ Al и γ -TiAl, которые образуют внутризеренная прочность выше, чем прочность границы раздела (включая границу зерна и пластинчатую поверхность раздела). Следовательно, макропластическая деформация в основном координируется граничным скольжением, и большая часть внутренних напряжений действует на границу раздела ³⁷.В результате трещина имеет тенденцию к распространению вдоль границы раздела, вызывая межкристаллитную трещину ( L ₅), а транс-пластинчатая трещина склонна к образованию террасных трещин раскола ( L ₆), поскольку проиллюстрировано на рис. 15 (b). Для мелких осажденных частиц ( B ₂) трещины могут обходить образующуюся трещину ответвления ( L ₇ и L ₈).Из-за слабой границы зерен прочность на сжатие не могла быть улучшена за счет упрочнения с измельчением зерна, в то время как деформация сжатия постепенно увеличивалась с увеличением времени ультразвуковых колебаний за счет большого количества скольжения по границам зерен.
Экспериментальные материалы и методы
В данном исследовании основной литой слиток Ti446Nb1Cr2V (номинальный легирующий состав, ат.%) Был приготовлен индукционной плавкой в вакууме в защитной атмосфере аргона, и слиток был переплавлен трижды для получения гомогенного состава.Из базового слитка вырезали небольшие круглые прутки размером Ø20 × 50 мм ², которые переплавляли в керамической форме Y ₂ O ₃ методом высокочастотного электромагнитного индукционного нагрева. После отключения мощности нагрева расплав подвергали ультразвуковой вибрации в течение 15 с, 30 с, 45 с и 60 с соответственно. Для сравнения образец без ультразвуковой вибрации (0 с) также был приготовлен при тех же условиях затвердевания. Ультразвуковая вибрация создавалась промышленным ультразвуковым генератором с излучателем из нержавеющей стали, а максимальная мощность ультразвука составляет 1200 Вт при постоянной ультразвуковой частоте 20 кГц.В этом исследовании ультразвуковой излучатель прижимался к верхней части керамической формы, и ультразвуковые колебания проводились в расплаве через керамическую форму.
Для наблюдения микроструктуры образцы были приготовлены с использованием стандартного металлографического процесса. Оптическая микроскопия (OM) и сканирующая электронная микроскопия в режиме обратно-рассеянных электронов (SEM-BSE) были использованы для исследования микроструктурных характеристик после ультразвуковой вибрации. Химический состав анализировали с помощью энергодисперсной спектроскопии (EDS), оснащенной сканирующей электронной микроскопией.Фазовый состав определяли с помощью рентгеновского дифрактометра (XRD) со скоростью сканирования 10 градусов в минуту. Микротвердость по Виккерсу измеряли на цифровом микротвердомере при давлении 10 Н в течение 10 с. Компрессионные образцы размером Ø4 × 6 мм ² вырезали из того же положения образцов методом проволочно-электродной резки, а испытательные образцы перед испытанием на сжатие шлифовали вручную. Испытания на сжатие проводились на электронных универсальных испытательных машинах при постоянной скорости деформации 10 ^–4 с ^–1 при температуре окружающей среды.
Мощный ультразвук в органическом синтезе: перемещение кавитационной химии из академических кругов в инновационные и крупномасштабные приложения
Мощный ультразвук в органическом синтезе: переход кавитационной химии от академических кругов к инновационным и крупномасштабным приложениям
Ультразвук, эффективное и практически безвредное средство активации в синтетической химии, с переменным успехом применялся на протяжении десятилетий.Эта высокоэнергетическая подача может не только усилить механические эффекты в гетерогенных процессах, но также, как известно, вызвать новую реакционную способность, ведущую к образованию неожиданных химических соединений. Что делает сонохимию уникальной, так это замечательное явление кавитации, которое в настоящее время является предметом интенсивных исследований, которые уже дали наводящие на размышления результаты. Этот критический обзор направлен на обсуждение текущего состояния кавитационной химии и некоторых лежащих в основе явлений, а также на выявление некоторых недавних приложений и тенденций в органической сонохимии, особенно в сочетании с другими устойчивыми технологиями.(151 ссылка.)
У вас есть доступ к этой статье
Подождите, пока мы загрузим ваш контент.

24) Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.

4. Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.

Механическое и тепловое действие ультразвука

5. Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека.

Ультразвук и биологические системы

Ультразвуковая терапия | ЛРЦ «Диагностика плюс»

параметры, виды волн, затухание и отражение

Библиографический список

Фонофорез в Уфе

Принцип воздействия

Преимущества

Комплексные программы

Показания для проведения

Противопоказания

Рекомендации до и после

Побочные явления

Лечебный эффект

Описание процедуры

Возможные побочные биологические эффекты, связанные с ультразвуком | Анестезиология

Лечебный ультразвук при поражениях мягких тканей | Ревматология

Абстрактные

Характеристики ультразвукового терапевтического

Модифицированные формы ультразвука

Физиологические эффекты ультразвука

Ультразвук при поражениях мягких тканей: доказательства клинического эффекта

УЗИ и стадия травмы

Объяснение явного отсутствия эффекта

Выводы: будущее

Список литературы

Ultrasound Energy — обзор

Ультразвуковая энергия

Изменение механических и термических свойств клюквы, подвергнутой ультразвуковой обработке

Список литературы

Измерение тепловых эффектов ультразвуковой допплерографии: исследование in vitro

Аннотация

Цель

Методы

Результаты

Выводы

Введение

Материалы и методы

Результаты

Размеры водяной бани

Измерения поверхностного отопления

Обсуждение

Благодарности

Вклад авторов

Ссылки

Влияние ультразвуковой вибрации на микроструктуру и механические свойства высоколегированного TiAl

Экспериментальные материалы и методы

Мощный ультразвук в органическом синтезе: перемещение кавитационной химии из академических кругов в инновационные и крупномасштабные приложения

Мощный ультразвук в органическом синтезе: переход кавитационной химии от академических кругов к инновационным и крупномасштабным приложениям

Related Post

Добавить комментарий Отменить ответ