Co to są ultradźwięki?
Ultradźwięki (naddźwięki) są to fale sprężyste o częstotliwościach znajdujących się powyżej górnej granicy słuchu człowieka to znaczy powyżej 20 kHz. Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (to znaczy przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki (m.in. nietoperze i delfiny) i wykorzystywane przez nie do echolokacji.

Zastosowanie ultradźwięków (cztery przykłady).
Ultrasonografia, USG, badanie narządów wewnętrznych za pomocą fal ultradźwiękowych. Metoda diagnostyczna oparta na zjawisku echa ultradźwiękowego. Informacje uzyskane tą metodą mogą być przedstawione na ekranie oscyloskopowym w postaci impulsów lub w postaci obrazu rozkładu tkanek normalnych i patologicznych.

Ultradźwięki, czyli piski, tak wysokie, że już ich nie słychać

Ultradźwięki są to drgania ośrodka zachodzące z częstotliwościami większymi niż 20KHz. Drgania te są niesłyszalne dla ludzi, jednak słyszą je m.in. psy, nietoperze, delfiny.

Wytwarzanie ultradźwięków

Wytwarzanie tak szybkich drgań jest możliwe tylko wtedy, gdy przedmiot drgający jest mały i lekki (niech ktoś spróbuje "machać" 30 tysięcy razy na sekundę dużym, ciężkim przedmiotem...)

Jak więc uzyskuje się tak szybkie drgania?

Zastosowanie ultradźwięków

Ultradźwięki mają szerokie zastosowanie w medycynie i technice.

Oto przykłady zastosowań:

ultrasonograf "prześwietla" ultradźwiękami ciało człowieka

ogniskując ultradźwięki można drganiami pobudzić określony narząd, co ma zastosowanie w medycynie

prześwietlanie ultradźwiękami innych materiałów pozwala na wykrycie w nich wad (defektoskopia ultradźwiękowa)

sondy ultradźwiękowe mierzą głębokość mórz

wysokoenergetyczną wiązką ultradźwiękową można przecinać i wiercić i oczyszczać przedmioty

ULTRADŹWIĘKI

1. Definicja

Ultradźwięki, inaczej fale naddźwiękowe, są falami mechanicznymi rozchodzącymi się w ośrodku sprężystym, posiadające częstotliwości wyższe od normalnych fal dźwiękowych, czyli powyżej około 16 kHz. Człowiek nie jest w stanie ich usłyszeć, natomiast dość dobrze odbierają je psy, delfiny, owady i inne zwierzęta. Powyżej górnej granicy dla fal ultradźwiękowych (ok. 100 Mhz) ultradźwięki przechodzą w tzw. hiperdźwięki, fale o nieco innych właściwościach fizycznych. Ultradźwięki charakteryzują się przy tym dość małymi długościami fali i dużą energią niesioną przez falę, przez co znalazły zastosowanie w technice, np. przy czyszczeniu bardzo niewielkich przedmiotów.

2. Występowanie

W naturze ultradźwięki występują powszechnie. Wiele zwierząt ma zdolność odbioru oraz nadawania fal z tego zakresu. Na szczególną uwagę zasługują przy tym psy, słyszące dźwięki wyższe niż 20 kHz, co wykorzystywane jest w tresurze z pomocą gwizdków naddźwiękowych, oraz delfiny i nietoperze. Nietoperze używają ultradźwięków do namierzania nocą owadów. Z kolei pewne owady wykształciły mechanizm wykrywania fal nadawanych przez polujące na nie nietoperze, dzięki czemu mogą przed nimi uciec. Delfinom ultradźwięki służą przede wszystkim do wykrywania przeszkód terenu - wysyłają je i odbierają fale odbite, uzyskując w ten sposób informacje o kształcie i strukturze otoczenia.

3. Zastosowanie

Ultradźwięki mają bardzo wiele zastosowań, wykorzystywane są intensywnie nie tylko w technice, ale i medycynie, nawigacji i w badaniach laboratoryjnych. Ograniczam się tu do opisu najbardziej popularnych przykładów użycia fal tego zakresu.

• Medycyna. Dzięki ultradźwiękom możliwa stała się ultrasonografia (USG), czyli diagnostyka narządów i tkanek za pomocą odbijania od nich fal ultradźwiękowych i następnie badaniu odbitych sygnałów. Fale otrzymane przedstawia się zwykle na monitorze oscyloskopu (urządzenia do badania przebiegów falowych) i porównuje ze znanymi rozkładami fal dla tkanek zdrowych. Na podobnej zasadzie opiera się echokardiografia - metoda badania serca i naczyń krwionośnych poprzez fale ultradźwiękowe odbite od interesującej lekarzy części układu krwionośnego. Przy UAG i echokardiografii zazwyczaj przydatne są ultradźwioęki z wyższego przedziału częstości, kilku MHz. Ultradźwięki pomocne są poza tym przy inhalacjach, gdyż ich energia jest w stanie rozpylić leki do takie gęstości zawiesiny, że możliwe staje się jej wprowadzenie do wnętrza organizmu. W dentystyce fale naddźwiękowe stosowane są do precyzyjnego usuwania osadów nazębnych.

• Echolokacja. W nawigacji morskiej używane są przyrządy zdolne do emisji i odbioru fal ultradźwiękowych. Jest to pomocne przy żegludze wszędzie tam, gdzie istnieje możliwość natrafienia na przeszkody niewidoczne pod wodą, jak np. góry lodowe.

• Czyszczenie ultradźwiękami. Metoda ta pozwala na skuteczne oczyszczanie nawet mikroskopijnych urządzeń oraz miejsc trudno dostępnych. Ze względu na dużą energie oraz małą długość fale naddźwiękowe docierają do najmniejszych części mytego przedmiotu i bardzo efektywnie usuwają bród i osady, następnie resztki zanieczyszczeń są wypłukiwane przez odpowiednio dobrany płyn. Takie czyszczenie jest nie tylko precyzyjne i skuteczne, ale też jest niegroźne dla otoczenia i czyszczonego materiału oraz przyjazne dla środowiska. W praktyce czyszczenie takie odbywa się w specjalnych myjkach - pojemnikach, do których dna przytwierdza się oczyszczany przedmiot, a następnie wprowadza roztwór myjący i generowane fale.

4. Wytwarzanie

Wyróżnia się kilka głównych metod produkcji fal z zakresu częstości ultradźwięku:

• Metoda mechaniczna

Polega na wykorzystaniu faktu, że ciało sztywne drgające z odpowiednią częstotliwością emituje falę mechaniczną. Częstotliwość tej fali zależy od rodzaju ciała i parametrów jego drgań. Na ogół w urządzeniach produkujących ultradźwięki ma miejsce przepływ gazu lub cieczy. Tymi sposobami można uzyskać jedynie niewielkie częstotliwości rzędu kilkudziesięciu kHz, ale wytwarzana fala może mieć znaczną moc. Urządzenia te to np. gwizdki, piszczałki, a także syreny policyjne. Nieco innym sposobem jest metoda udarowa. Wykorzystuje ona fakt, że przy zderzeniu małego ciała sztywnego z dużą bryłą sztywną lub z powierzchnią ściany budynku tworzą się wewnątrz dużego ciała fale mechaniczne o częstotliwościach ultradźwiękowych dochodzących nawet do 100 kHz.

• Metoda termiczna

Pierwszymi, mało wydajnymi źródłami były wyładowania elektryczne w cieczach powodowane przez nagrzane przewodniki elektryczności. Te proste, prymitywne metody zostały z czasem udoskonalone. Jedną z nich jest obecnie wykorzystanie energii Joule'a - Lenza, czyli ciepła powstającego w przewodniku przy przepływie prądy zmiennego modulowanego z daną częstością. Występuje w nim tzw., łuk elektryczny, czyli strumień poruszających się jonów , cząstek naładowanych. Prąd ten jest drgającym źródłem emisji fal ultradźwiękowych o częstotliwościach dochodzących do kilkuset kHz. Układ opisany powyżej zwykle posiada dodatkowo specjalną tubę, która gromadzi i nadaje pożądany kierunek wiązce fal ultradźwiękowych.

• Metoda optyczna

Metody optyczne polegają na produkcji ultradźwięków przy oddziaływaniu światła spójnego (laserowego) z

Jakimś ośrodkiem, np. cieczą. Zakres tak generowanych fal jest duży i częściowo pokrywa się zarówno ze zwykłymi dźwiękami, jak i hiperdźwiękiem. Zależy od właściwości światła i użytego ośrodka. Metoda ta pozwala także na generowaniu ultradźwięków w niewielkim obszarze, co można wykorzystać w wielu dziedzinach techniki. Amplituda i moc formowanych fal zależne są przede wszystkim od wyjściowej mocy światła laserowego.

• Metody elektryczne i magnetyczne

Ultradźwięki można także wytworzyć przez odwrotny efekt piezoelektryczny oraz tzw. magnetostrykcję. Odwrotny efekt piezoelektryczny spotykany jest w przypadku wielu substancji krystalicznych. Typowy przykład to kryształ tlenku krzemu (kwarcu.) Przy przyłożeniu do boków takiego kryształu zmiennego napięcia elektrycznego ciało kurczy się szybko na skutek zaburzenia w sieci krystalicznej. Efektem są emitowane z kryształu drgania o częstotliwości ultradźwiękowej. Podobną metodą jest magnetostrykcja, czyli zjawisko charakteryzujące się zmianami w długości rdzeni magnesów przy płynącym przez nawiniętą na magnesy cewkę zmiennym prądzie elektrycznym. Emitowane fale mają na ogół niskie częstotliwości, które wykorzystuje się w wielu dziedzinach przemysłu.

Zastosowania fal ultradźwiękowych w medycynie i profilaktyce

Także w stosowane w medycynie fale ultradźwiękowe dzielą się w zależności od konkretnego wykorzystania na użycie czynne (leczenie chorób i urazów) oraz bierne (w diagnostyce i profilaktyce.) Ten sposób wykorzystania ultradźwięków dotyczy w ogromnej większości fal z zakresu od 1 do 30 MHz. Już od początków wieku (lata trzydzieste XX wieku, lekarz - pionier Pohlman) znano dobroczynny wpływ aktywnego użycia ultradźwięków na skutki oraz przyczyny wielu schorzeń człowieka i zwierząt. Została to szybko dostrzeżone przez ówczesną medycynę i oficjalnie wprowadzone do metodyki leczenia kilkudziesięciu powszechnych chorób. Były także używane do usuwania stanów zapalnych i do walki z bólem. Jednak znano też już wtedy negatywny wpływ fal naddźwiękowych działających na organizmy żywe i ich metabolizm. Oznacza to, że istnieją pewne przeciwwskazania co do pełnego używania fal tego zakresu, dotyczy to głównie ich szkodliwym działaniem na układ nerwowy człowieka.

Przyrządy medyczne wykorzystywane do takich badań działają zawsze na zasadzie echa, to jest odbioru i obserwacji rozkładu sygnałów falowych odbitych od ciała, przy jednoczesnym analizowaniu części fal ultradźwiękowych, ulegającej rozproszeniu i pochłanianiu w badanym narządzie lub tkance.

Terapia ultradźwiękowa jest nadal bardzo powszechna w neurologii. Leczenie ultradźwiękami jest najbardziej skuteczne przy usuwaniu skutków porażeń obwodowego układu nerwowego, zaburzeń czucia nerwobólach oraz stanach zapalnych, zwłaszcza w przypadku nerwu trójdzielnego. Inne, wymienione tu na razie skrótowo, popularne zastosowania medyczne ultradźwięków to diagnostyka stanów nowotworowych, szczególnie tzw. guzów (tutaj duże znaczenie maja badania przeprowadzone przez prof. medycyny L. Filipczyńskiego i jego współpracowników), leczenie schorzeń skóry, stawów, rozmaite inhalacje (tu energia dźwięków spożytkowana jest celem wytworzenia aerozoli z leczniczymi substancjami, co ułatwia sam proces inhalacji i zmniejsza ryzyko tzw., nadciśnienia oddechowego), oraz badania ginekologiczne, zwłaszcza prenatalne (tzw. diagnostyka ciąży).

Oprócz tych oczywistych zasług, ultradźwięki są powszechnie wykorzystywane przez lekarzy do sterylizacji przyrządów i narzędzi chirurgicznych (np. skalpele); takie dokładne czyszczenie za pomocą fal o dużej energii jest tu o wiele bardziej bezpieczne i skuteczne niż tradycyjne mycie; jak również usuwanie skażeń w przypadku stwierdzenia podwyższonej radioaktywności danego obiektu, sprzętu laboratoryjnego czy przedmiotu chirurgicznego. Jeszcze inne, na pierwszy rzut oka niepozorne zastosowanie ultradźwięku to pomoc w przygotowywaniu tzw. preparatów histologicznych, czyli substancji organicznych poddawanych dalszemu badaniu przez lekarzy, jak np. fragmenty tkanek. Działa to na zasadzie preparowania specjalnego roztworu dla preparatu, który poprzez odpowiednie zabarwienie uskutecznia wizualizacje propagujących się fal akustycznych. Takie preparaty laboratoryjne będą dużo wyraźniejsze i umożliwią skuteczną analizę danego problemu.

Słyszy się czasem stwierdzenia o zagrożeniach płynąc z oddziaływania fal ultradźwiękowych z mózgiem. Jest na pewno prawdą, że tkanka nerwowa ulega nieodwracalnemu uszkodzeniu pod wpływem silnej dawki ultradźwięku. Jednak aby tak się stało, mózg musiałby znajdować się w polu ultradźwięków około minuty przy natężeniu fal sięgającym w przybliżeniu 80W/cm². Takie warunki w praktyce są rzadko realizowane. Nawet przy badaniach ultrasonografem natężenia ultradźwięków są zaledwie rzędu paru W/cm², i to na przeciągu czasu mniejszego od jednej sekundy. Ponadto, aby całkiem już uspokoić przeciwników tej metody leczenia, dowiedziono, że naświetlanie ultradźwiękami o natężeniu bezpiecznym po kilka lun kilkanaście razy, ale z odpowiednim odstępem czasowym nie pociąga za sobą żadnych efektów kumulacyjnych, w przeciwieństwie np. do zastosowania promieniowania jonizującego na organizm ludzki.

• Wykonywanie inhalacji pomocne przy chorobach płuc i w terapii oddechowej, przygotowywanie zawiesin i aerozoli, które wraz z substancjami leczniczymi można łatwo i bezpiecznie wprowadzić do wnętrza ustroju; urządzenia zwane nebulizatorami (mgielnikami, rozpylaczami),

• Ultrasonografia (w skrócie: USG). Jest to metoda badania narządów wewnętrznych opierająca się na omówionej już zasadzie badania odbicia i pochłaniania fal akustycznych w ciele ludzkim. USG oparta jest na wykorzystaniu zjawiska echa akustycznego, tu konkretnie ultradźwiękowego. Warto zwrócić uwagę, że jest to bierny sposób wykorzystania ultradźwięku w medycynie. Załóżmy, jak jest w istocie, że różniące się budową i gęstością tkanki wykazują rozmaitą oporność akustyczną i połączone z tym tłumienie fal ultradźwiękowych. Wielkości te zależą też zawsze od częstotliwości emitowanej fali. Bezpośrednim efektem tego prostego faktu jest możliwość uzyskania położeń tkanek miękkich w danym obszarze przy "naświetlaniu" ultradźwiękiem. Stosowane są tu częstotliwości fal z zakresu od ok. 1 do 20 MHz. W takiej sytuacji obserwować można rodzaj echa ultradźwiękowego, wzmocnionego przy przejściu fali przez granice tkanek o różnych właściwościach na oscyloskopie (przyrządzie służącym do badania i przedstawiania przebiegów falowych.) Dane wyświetlane są jako przebiegi i impulsy, lub w formie rozkładu tkanek i narządów. Oznacza to wszystko zatem, że dzięki metodzie ultrasonografii medycyna zyskała możliwość bezbolesnego i bezkrwawego wnikania w wewnętrzne narządy ciała człowieka, co z kolei pozwala nam bezpośrednio niemal obserwować zdrowe tkanki albo też patologie narządów, nerwów, mięśni, ścięgien i wiązadeł. Wiele z obserwowanych za pomocą USG części nie dadzą się obserwować nawet przy użyciu silnej dawki promieni Roentgena. Zresztą ultrasonografia w wielu sytuacjach jest dużo korzystniejsza niż analogiczne badania wykonane za pomocą prześwietlenia promieniami Roentgena. Nie tylko jest mniej szkodliwa, ale może dostarczyć bardzo ważne informacje w momencie, gdy metoda Roentgena nie działa już poprzez zbyt mały kontrast pomiędzy badaną częścią a jej najbliższym sąsiedztwem. Jedynymi obszarami ciała, których nie da się przebadać przez USG na skutek odbicia się fal, są miejsca w dużym stopniu wypełnione powietrzem, czyli tzw. jamy ciała, ale z kolei w takich sytuacjach można dobrze przebadać je metodą radiologiczną, tak że przy użyciu obu metod jednocześnie zawsze można dostać pełen obraz narządów.

• Znaczenie ultradźwięków w kardiologii. Istnieje nie inwazyjna, obrazowa metoda badania serca i reszty układu krwionośnego (żyły, tętnice, naczynia włosowate). Za pomocą specjalnego monitora połączonego z głowicą będącą emiterem fal - echokardiografu - otrzymuje się obraz będący rodzaj przetworzonego elektronicznie echa fal ultradźwiękowych propagujących się wewnątrz ciała pacjenta, i ulegających tam odbiciu i rozpraszaniu. Sygnały otrzymane tą droga można zapisywać na różnych nośnikach celem dalszych analiz lekarskich. Przy tym procesie, zwanym też często echokardiografią, wykorzystuje się głównie ultradźwięki częstotliwości od 1 do 10 MHz,

• Diagnostyka prenatalna, badanie płodu. Najlepiej i najbezpieczniej jest obecnie obserwować rozwijający się płód przy pomocy zjawisk ultradźwiękowych. Inne podobne metody wiążą się z dużym zagrożeniem dla życia dziecka lub są mniej dokładne i skuteczne. Inne mało ryzykowne badanie prenatalne przeprowadzić można wprawdzie przy pomocy wprowadzonego do ciała matki kontrastu, co często wykonywane jest we wczesnych stadiach rozwoju ciąży. Z kolei powszechna dawniej metoda radiologiczna, zwana też czasem rentgenologiczną, opiera się na prześwietleniu ciała dziecka wiązka promieniami Roentgena, przy wykształconym już systemie kostny, czyli ok. czwartego miesiąca ciąży. Wówczas szkielet jest dobrze widoczny na tle tkanek miękkich, co pozwala na wczesne wykrycie wad rozwojowych groźnych dla życia dziecka, ciąży mnogich czy podejrzeniu płodu martwego. Niestety, zabieg naświetlenia rentgenowskiego u kobiety ciężarnej może łatwo spowodować poważne uszkodzenie płodu, a nawet zmiany chromosomalne,

• Możliwość bezoperacyjnego badania oraz leczenia nerki. Wykorzystuje się tu przyrząd zwany nefroskopem, który wprowadzany jest do nerki poprzez kanał przezskórny, a którego zadaniem jest niszczenie i usuwanie pozostałości po kamieniach nerkowych kielichów lub miedniczki. Kamienie te rozbijane są przy wykorzystaniu energii fali ultradźwiękowej. Czasem także lekarze pomagają usunąć kamień, wprowadzając do miedniczki nerkowej małe kleszczyki, dzięki którym można łatwo pozbyć się kamieni pomniejszych,

• Niszczenie kamieni moczowych, leczenie kamicy moczowej. Przez cewkę do pęcherza wprowadza się w tym celu przyrząd zwany litotryptorem, ma on za zadanie rozbić kamienie za pomocą spójnej i odpowiedniej wiązki ultradźwięków albo fali elektrohydrauralitycznej. To na ogół nie wystarcza, zachodzi bowiem potrzeba usunięcia tak powstałych resztek po kamieniu - do ich ostatecznego usunięcia służy tzw. ewakuator, inaczej: gruszka Bigelowa. Zabieg ten, fachowo zwany litotrypsją, wykonywany bywa również w przypadkach kamieni nerkowych,

• Dentystyka: usuwania kamienia i osadów nazębnych,

• Leczenie tzw. zespołu bolesnego barku,

• Diagnostyka "podniebienia miękkiego" i innych podobnych anomalii,

• Leczenie astmy oraz nadciśnienia,

• Diagnostyka medyczna, np. pomiar procentowej ilości wapnia w kośćcu, pomocne przy wykrywaniu chorób kości,

• Pomoc w leczeniu nerwobólu nerwu trójdzielnego, działanie przeciwbólowe - tzw. ultrasonoterapia, metoda wykorzystująca ultradźwięki, pomagająca zmniejszyć ból, usunąć napięcie mięśniowe stany zapalne, a także rozszerzyć za bardzo zwężone naczynia układu krwionośnego oraz przyśpieszyć metabolizm (wchłanianie komórkowe),

• Leczenie przykurczu Dupuytrena, szczękościsku, bólów mięśniowych, wszelkiego typu nerwobóli, chorób układu nerwowego i rozmaitych urazów u sportowców (jak np. "łokieć tenisity"),

• Usuwanie zaćmy na oku - polega mniej więcej na rozdrobnieniu chorej części wiązką fal ultradźwiękowych, a następnie usunięciu pozostałości, jest to metoda dość bezpieczna (tzw. fakoemulsyfikacja),

• Leczenie uszkodzonych stawów, zwyrodnień stawów i reumatyzmu a także zwyrodnień rzepki kolanowej (tzw. chondromalacji), uszkodzonych lub naciągniętych ścięgien, ostry piętowych, choroby sudeckiej,

---