CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Własności fizyczne ultradźwięków.

Ultradźwięki są falami podłużnymi. Nie różnią się pod względem fizycznym od fal akustycznych. Cechuje je jednak znacznie większa częstotliwość: od 16 kHz, zatem ucho ludzkie ich nie rejestruje. Niektóre organizmy jednak (nietoperze, delfiny) wykorzystują ultradźwięki.

2. Generacja ultradźwięków.

W urządzeniach wykorzystywanych do tego celu wykorzystuje się zjawisko odwróconego efektu piezoelektrycznego, bądź magnetostrykcji (drgania ferromagnetycznego pręta w zmiennym polu magnetycznym), jednakże to drugie zjawisko nie umożliwia otrzymywania fal o potrzebnych dla celów medycznych parametrach. Zjawisko piezoelektryczne polega na powstawaniu ładunków elektrycznych na powierzchniach niektórych, odpowiednio wyciętych kryształach, np. kwarcu, pod wpływem mechanicznego ich odkształcenia. W generatorach wykorzystujących odwrócone zjawisko doprowadzamy do płytki kwarcowej zmienne napięcie, pod wpływem którego, pod wpływem którego dochodzi do periodycznego kurczenia i rozszerzania się płytki w określonych kierunkach, czyli do jej drgań mechanicznych, z częstotliwością zmian pola elektrycznego. Przy częstotliwościach rezonansowych amplituda drgań osiąga stosunkowo dużą wartość i płytka staje się źródłem fal ultradźwiękowych.

3. Podstawowe prawa związane z propagacją fal ultradźwiękowych w różnych ośrodkach.

Ultradźwięki podlegają tym samym prawom co fale akustyczne. Należy tu wspomnieć, że szybkość rozchodzenia się fali wzrasta wraz z gęstością ośrodka, jest stała dla konkretnego środowiska i w gazach zaburzenie porusza się wolniej niż w cieczach i ciałach stałych. Może się odbijać, bądź załamywać przechodząc do innego ośrodka. Pierwsze zjawisko nazywamy echem i obserwujemy je przy zderzeniu z granicą gęstszego ośrodka, z kolei drugie obserwujemy np. w powietrzu o niejednakowej gęstości - fala jest wtedy zakrzywiona.

4. Parametry akustyczne tkanek.

Prędkość rozchodzenia się ultradźwięków jest różna w poszczególnych tkankach. Ważną wielkością w diagnostyce jest oporność właściwa fali akustycznej - impedancja akustyczna. Nazywamy tak iloczyn gęstości danego ośrodka i prędkość rozchodzenia się w nim fali. Najwyższy jest dla kości czaszki - 6,20, znacznie niższy dla wątroby, mięśni szkieletowych, krwi, mózgu, a najniższy dla tkanki tłuszczowej - 1,40. Mierzy się wielkość w 10⁶ kg/m²s. Inną ważną wartością określającą parametry akustyczne tkanki jest grubość warstwy pochłaniania połówkowego - odległość, po przebyciu której natężenie fali zmniejsza się o połowę. Wielkość ta jest różna dla poszczególnych tkanek.

5. Efekty fizyczne towarzyszące oddziaływaniu ultradźwięków z tkanką - efekt cieplny.

Polega na przekształcaniu się znacznej części pochłanianej energii fali w energię cieplną, co powoduje wzrost temperatury ośrodka. Podwyższanie temperatury tkanek to część leczniczego działania ultradźwięków.

6. Bilans cieplny. Kalorymetria. Sprawność cieplna.

Bilans cieplny polega na rozdzieleniu pobranego ciepła równomiernie wewnątrz ośrodka, tzn. temperatura wewnątrz jednorodnego ośrodka będzie stała w każdym punkcie.

Kalorymetria zajmuje się mierzeniem pobranej/dostarczonej energii cieplnej.

Sprawność cieplną można wyrazić wzorem:

Q_doprow. - ciepło doprowadzone

Q_wyprow. - ciepło wyprowadzone

Energia fali pochłonięta przez tkankę będzie u nas Q_doprow., natomiast energia zamieniona na ciepło to Q_wyprow.

7. Regulacja temperatury w organizmie człowieka.

Organizm ma własne układy, które odpowiadają za termoregulację. W przypadku nadmiernego przegrzania uruchamiają się mechanizmy powodujące termolizę.

8. Zastosowania medyczne ultradźwięków w diagnostyce i terapii.

Leczy się głównie zaburzenia narządu ruchu i tkanki łącznej oraz nerwów obwodowych. Przeciwwskazana jest terapia dla stanów nowotworowych, chorób gorączkowych, gruźlicy, dzieci młodzieży i kobiet w ciąży. Unika się także przy schorzeniach jamy brzusznej i klatki piersiowej.

Diagnostyka wykorzystuje odbicie fali akustycznej od powierzchni rozgraniczającej ośrodki, jest bezpieczniejsza i daje więcej efektów niż metoda rentgenowska.

PRZYRZĄDY POMOCNICZE

1. Aparat BLT 4000 Professional z głowicą generującą ultradźwięki; powierzchnia głowicy: 4 cm², częstotliwość pracy 1-3 MHz, natężenie do 3W/cm² przy pracy impulsowej i do 2W/cm² przy pracy ciągłej,

2. Termometr

3. Statyw,

4. Kalorymetr

OPIS DOŚWIADCZENIA

Co 30 s przez 10 min badamy temperaturę wody w kalorymetrze. Próbę wykonujemy dwukrotnie: dla fali ciągłej 100% i dla fali impulsowej 50%, w obydwu przypadkach o mocy 2 W/cm² i częstotliwości 20 MHz. Badanie przeprowadzono w następującym układzie pomiarowym:

OBSERWACJE

Po włączeniu generatora ultradźwięków obserwujemy drgnięcie cieczy w naczyniu. W wodzie wydzielają się pęcherzyki. Osadzają się one częściowo na głowicy, część ulatnia się. Dzieje się tak wyłącznie, gdy urządzenie styka się bezpośrednio z powierzchnią cieczy. Gdy pojawia się choćby niewielki odstęp, pęcherzyki nie wydzielają się. Temperatura wody sukcesywnie wzrasta dla fali ciągłej 100%. Przeprowadzenie doświadczenia dla fali przerywanej nie doszło do skutku, ponieważ nie udało się uregulować BLT 4000 - urządzenie ma wiele programów terapeutycznych, których nie udało się zdezaktywować, wskutek czego zatrzymywało się i przestawało pracować.

WYNIKI:

Czas[min]	Temp.[^oC] fala ciągła 100%	Temp.[^oC] fala impulsowa 50%
0	21,6	25,7
0,5	22	25,8
1	23	25,95
1,5	23,3	25,9
2	23,4	25,91
2,5	23,7	25,95
3	23,8	26
3,5	24	26,1
4	24,2	26,2
4,5	24,3	26,25
5	24,5	26,3
5,5	24,6	26,35
6	24,7	26,4
6,5	24,9	26,45
7	25,1	26,5
7,5	25,3	26,55
8	25,4	26,6
8,5	25,6	26,65
9	25,7	26,7
9,5	25,9	26,75
10	26	26,8

ΔT=0,1^oC

Δt=1s

Możemy spotkać się z błędami systematycznymi, bądź przypadkowymi, przed którymi nie można się ustrzec podczas wykonywania doświadczenia, jednak otrzymane wyniki są dosyć dokładne ze względu na to, że urządzenia pomiarowe cechuje wysoka precyzyjność.

WNIOSKI

Wydzielanie pęcherzyków to zjawisko lekko nasilonej kawitacji. W miejscach spadków i wzrostów ciśnienia (pod wpływem zagęszczeń i rozrzedzeń ultradźwięków) wydzielają się małe próżne jamki. Gdy odsłaniamy głowicę od powierzchni wody przekonujemy się, że przy przejściu ze środowiska gazowego (powietrze) do ciekłego fala ulega niemal całkowitemu odbiciu. Główny wniosek wynikający z doświadczenia polega na tym, iż woda ogrzewa się pod wpływem ultradźwięków. Nagrzewają się miejsca, gdzie stykają się ośrodki o różnej gęstości, po czym temperatura rozprowadzana jest równomiernie po całej objętości cieczy - obserwujemy bilans cieplny. Dodatkowo można powiedzieć, że przy fali impulsowej 50% wzrost temperatury jest bardziej dynamiczny.

h

---