Charakterystyka fali ultradźwiękowej
Ultradźwiękami nazywamy drgania mechaniczne o częstotliwości przekraczającej granicę progu słyszalności ucha ludzkiego. Dotyczy to częstotliwości drgań powyżej 20kHz. Dźwięki słyszalne dla ucha ludzkiego składają się z drgań mieszczących się w granicach od 16Hz do 20 000 Hz (20 kHz =2 MHz ). Drgania o częstotliwości większej niż 20 kHz to ultradźwięki, a mniejsze niż 16 Hz to infradżwięki.
Do wytworzenia fali ultradźwiękowej wykorzystuje się efekt odwróconego zjawiska piezoelektrycznego, które występuje w kryształach.
Istotą tego zjawiska jest skracanie bądź wydłużanie w osi kryształu pod wpływem napięcia elektrycznego o wartości powyżej 500V. Najlepszym materiałem do tego celu jest kwarc, jednak ze względów praktycznych większe zastosowanie mają kryształy sztuczne, jak siarczan litu lub tytanian baru.Cząsteczki sąsiadujące z drgającą powierzchnią źródła fali głowicy zaczynają drgać tam i z powrotem wokół położenia równowagi. Drgania przenoszą się na następne cząstki powodując powstanie fali mechanicznej rozchodzącej się w przestrzeni i czasie. Fale ultradźwiękowe to fala która jest transporterem energii.
Rozprzestrzenianie się ultradźwięków
Przenoszenie energii odbywa się drogą zmieniających się stanów ciśnienia w ośrodku. Ponieważ cząsteczki drgają wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali, mówimy o fali podłużnej. Fala podłużna wywołuje na swym przebiegu wiele następujących po sobie zagęszczeń i rozrzedzeń. Zagęszczenia ośrodka powstają w miejscach, gdzie wychylenie cząstek następuje w kierunku rozchodzenia się fali, natomiast tam, gdzie wychylenie następuje w kierunku przeciwnym, występują rozrzedzenia ośrodka.
Odległość między dwoma sąsiadującymi ze sobą zagęszczeniami lub rozrzedzeniami, odpowiada długości fali ultradźwiękowej i jest uzależniona od częstotliwości oraz prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku.
Zakres długości fali ultradźwiękowej przy częstotliwości 800kHz wynosi:
w powietrzu od 1,6 cm do 0,3 x 10-4cm,
w płynach od 6 cm do 1,2 x 10-4cm,
w ciałach stałych od 20 cm do 4 x 10-4cm.
Fale ultradźwiękowe rozchodzą się z pewną prędkością niezależną od częstotliwości drgań , lecz zależną od właściwości fizycznej czyli gęstości ośrodka materialnego. Im większa gęstość ośrodka tym większa jest prędkość z jaką rozprzestrzenia się w nim fala UD.
Prędkość rozchodzenia fal ultradźwiękowych jest wielkością stałą i charakterystyczną dla określonego ośrodka:
w gazach prędkość ta wynosi 350m/s,
w cieczach około 1500m/s,
w ciałach stałych około 5000m/s.
Dla tkanek ludzkich, przy tej samej częstotliwości, wartość prędkości waha się od 1445m/s do 1610m/s.
Częstotliwość drgań akustycznych jest równoznaczna z ilością okresów na sekundę i oznacza to, że jedno drganie na sekundę równa się 1 Hz (1 kHz = 1000 Hz ).
Długość fali dźwiękowej w danym ośrodku zależna jest od prędkości rozchodzenia się oraz częstotliwości drgań. Jest to fala podłużna, która w swoim przebiegu wykazuje wiele nastepujących po sobie stref zagęszczeń i rozrzedzeń cząstek. Zagęszczenia powstają gdy cząstki ulegaja wychyleniu w kierunku rozchodzenia się fali ,natomiast rozrzedzenia powstają gdy cząstki ulegają wychyleniu w kierunku przeciwnym. Odległość między dwoma cząstkami, które ulegają zagęszczeniu i rozrzedzeniu w tej samej fazie ruchu odpowiada długosci fali.
Pole dźwiękowe i jego kształt
Część ośrodka, w którym występuje zjawisko fali dźwiękowej nazywa się polem dźwiękowym. Kształt pola uzależniony jest:
od rozkładu energii drgań
stosunku wymiarów źródła drgań do długości fali( czyli średnicy głowicy do pola dźwiękowego)
od zdolności pochłaniania i przeszkód w rozchodzeniu się fali.
Pole dźwiękowe wytwarzane w pobliżu przetwornika emitującego ultradźwięki (cylindryczne), określa się je jako pole bliskie. W miarę oddalania się od źródła pole przybiera kształt stożka i nazywane jest polem dalekim. Rozkład energii w polu dźwiękowym jest nierównomierny i zależy od wielu czynników. Jednym z ważniejszych są właściwości akustyczne ośrodka.
Część fali skierowanej na powierzchnię ośrodka ulega odbiciu. Stosunek energii fali odbitej do energii fali padającej nazywa się współczynnikiem odbicia. Współczynnik ten osiąga szczególnie wysoką wartość przy przejściu fali z ośrodka stałego do ciekłego bądź gazowego lub odwrotnie. Tkanka ludzka stanowi wysoce niejednorodne i zróżnicowane skupisko ośrodków, dlatego głębokość wnikania fali ultradźwiękowej jest ograniczona, a jeżeli na swym przebiegu napotka ośrodek różniący się gęstością to zostaje częściowo lub całkowicie odbita.
Fale odbite mogą ulegać interferencji z falami padającymi i wywoływać zjawisko fali stojącej. Działanie takiej fali uznaje się za niekorzystne dla tkanki, gdyż fala stojąca może zwiększać siłę działania w stosunku do fali padającej nawet o 100% i doprowadzić do uszkodzenia tkanki.
Na granicy ośrodków o różnej prędkości rozchodzenia fal dochodzi do zjawiska załamania się fali, natomiast w sytuacji gdy na swym przebiegu napotka przeszkodę lub szczelinę o wymiarach rzędu swej długości może również ulec ugięciu. Przeszkoda staje się wtedy źródłem fal o kierunku rozchodzenia innym niż kierunek fali pierwotnej. Konsekwencją tego jest zakłócenie pola dźwiękowego za przeszkodą.
Moc akustyczna fali ultradźwiękowej
Energia fali dźwiękowej to suma równych sobie wartości energii kinetycznej cząstek drgających oraz energii potencjalnej cząstek zgęszczonych i rozrzedzonych.
Całkowitą energię wyemitowaną przez źródło ultradźwięków w ciągu jednostki czasu określa się jako moc akustyczną. Jest ona iloczynem natężenia mierzonego w watach na centymetr kwadratowy [W/cm2] oraz powierzchni drgającej przetwornika.
Współczynnik absorpcji ultradźwiękowej
Natężenie fali ultradźwiękowej maleje w miarę oddalania się od źródła drgań. Jest to spowodowane absorpcją energii przez ośrodek. Zdolność ośrodka do pochłaniania energii określa się jako współczynnik absorpcji. W organizmie ludzkim największą chłonność dla fali ultradźwiękowej wykazuje tkanka nerwowa, mniejszą mięśniowa, a najmniejszą tkanka tłuszczowa. Ważną z punktu widzenia dźwiękochłonności tkanki, jest częstotliwość aplikowanych drgań
Konarska [27] podaje, że fale o większej częstotliwości są pochłaniane na mniejszej głębokości, natomiast fale o mniejszej częstotliwości absorbowane są na większej głębokości.
Drgania w zakresie częstotliwości 800kHz- 1000kHz przenikają tkanki do głębokości ok. 5- 7 cm, natomiast przy częstotliwości 2400kHz głębokość przenikania wynosi ok. 2cm. Głębokość na poziomie której natężenie aplikowanej fali zmniejsza się o 50%, nazywa się głębokością połówkową lub warstwą połowiącą. Parametr ten służy do oceny rozkładu natężenia aplikowanej fali. I tak dla częstotliwości 800kHz wynosi ok. 3cm, a dla częstotliwości 2400kHz ok. 1cm.
W praktyce , jeżeli istnieje wskazanie do powierzchniowego oddziaływania stosuje się UD o większej częstotliwości np. 3 MHz. Natomiast UD o częstotliwości 800 kHz czy 1 MHz stosuje się w celu oddziaływania na głębiej położone tkanki.
Mechanizm działania biologicznego ultradźwięków
Do zmian pierwotnych (miejscowych) zaliczamy:
Są to reakcje miejscowe występujące w chwili działania ultradźwieków w polu zabiegowym.
Działanie mechaniczne:
istotą jest mikromasaż tkanki( drgania UD nadają cząstkom ruch z przyspieszeniem i szybkością o zmieniającym się cyklicznie kierunku). Jest on efektem zmian ciśnienia w tkance na przebiegu fali ultradźwiękowej oraz wibrowania akustycznego cząsteczek wokół własnej osi. Skutkiem takiego działania jest pobudzenie wewnątrzkomórkowej przemiany materii i przyspieszenie zjawiska osmozy w tkankach.
Energia UD w dawkach leczniczych nie jest rejestrowana przez receptory nerwowe ponieważ ustrój ludzki nie dysponuje receptorami wrażliwymi na UD. Jest to cecha różniąca UD od innych postaci energii mechanicznych.
Działanie termiczne:
Jest on konsekwencją działania mechanicznego, gdyż na skutek drgań dochodzi do wytworzenia ciepła w tkankach. Fizjologiczną odpowiedzią na podwyższenie temperatury w tkance są zmiany w przepływie krwi, wzrost aktywności enzymatycznej tkanki, zmiany w przewodnictwie nerwowym, podwyższenie progu bólowego, wzrost rozciągliwości kolagenu oraz zmiana napięcia mięśniowego. Miejscem szczególnie dużej absorpcji UD jest granica tkanki miękkiej i kości oraz sama kość. Stwierdzono, że UD najsilniej nagrzewają okostną i kość ze wszystkich energii absorbowanych wewnątrz tkanek i jest w stanie wybiórczo podnieść temperaturę okostnej i dostępnych dla niej powierzchni stawowych.
Działanie fizykochemiczne:
Skutkiem tego działania są zmiany strukturalne białek. Reakcje chemiczne polegają w większości na procesach utleniania (rozpad cząsteczki wody), których szybkość wzrasta w polu nadźwiękawianym działanie fali ultradźwiękowej nasila dysocjację elektrolityczną, zwiększa się przewodność elektryczna i ma wpływ na potencjał błony komórkowej a pH tkanki przesuwa się w kierunku zasadowym. Do działania fizykochemicznego ultradźwięków można zaliczyć również zjawisko kawitacji.
Kawitacja:
- wytworzenie się gazu we krwi, płynach ustrojowych oraz w warstwie rogowej skóry. podczas rozrzedzania fali pęcherzyki gazu rozprężają się, a podczas zagęszczania sprężają się. W efekcie takie „pulsowanie” pęcherzyków gazu może doprowadzić do zmiany aktywności komórki a nawet do uszkodzenia tkanki.
Zmiany wtórne (ogólne)
Zmiany ogolne powstją w wyniku reakcji odruchowej z odczynów w układach i narzadów oddalonych. Jest to stymulacji z autnowicznego układu nerwowego
Podstawę leczniczego działania ultradźwięków stanowią następujące czynniki:
wzmożenie przepuszczalności błon komórkowych,
usprawnienie oddychania tkankowego i pobudzenie przemiany materii komórki,
zmiany w strukturze koloidów i ich uwodnienie,
zmiany odczynu tkanek w kierunku zasadowym,
zmiany w układach jonowych tkanek.
Skutki biologiczne oddziaływania ultradźwieków:
Działanie przeciwbólowe
przyspieszenie procesów przemiany materii
rozluźnienie mięśni
rozszerzenie naczyń krwionośnych
hamowanie procesów zapalnych
hamowanie układu współczulnego
wpływ na enzymy ustrojowe
przyspiesza wchłanianie tkankowe
zwiększa rozciągliwość włókien kolagenowych
zwiększa ruchomość stawową
Metody stosowania ultradźwięków
Metoda miejscowa
Polega na bezpośrednim nadźwiękawianiu okolic zmienionych chorobowo lub miejsc dotkniętych bólem z uwzględnieniem napiętych odruchowo mięśni lub wrażliwych stref okostnowych.
Metoda ogólna
Polega na wykorzystaniu jedności czynnościowej istniejącej między segmentami rdzenia i mięśniami skórą i narządami wewnętrznymi unerwiane przez korzenie nerwowe danego odcinka rdzenia. Nadźwiękawianie stosuje się na okolicę korzeni nerwowych danego segmentu.
Metoda labilna
Do wykonania zabiegu stosujemy najczęściej metodę labilną , polegającą na poruszaniu głowicą w polu zabiegowym, w określonym tempie . Pełny ruch okrężny wykonywany przez głowicę trwa 2-3 sek.
Metoda stabilna
Jest to metoda, w której głowica emitująca falę ultradźwiękową pozostaje przez krótki czas nieruchomo w polu zabiegowym . Metoda stabilna jest rzadziej stosowana ze względu na niebezpieczeństwo uszkodzenia nadźwiękawianej tkanki. Natężenie stosowane w tej metodzie wynosi 0,1-0,5W/cm2 .
Dawki natężenia stosowane w zabiegach
Wybór dawki, uzależniony jest od:
rodzaju schorzenia oraz fazy i celu podjętego leczenia,
lokalizacji zmian chorobowych oraz budowy i ogólnego samopoczucia pacjenta
metody zastosowanej w leczeniu, np. metoda stabilna może znacznie szybciej doprowadzić do uszkodzenia tkanki, dlatego dawki w niej stosowane będą mniejsze.
Sposobu wykonania zabiegu
Głebokość połówkowa
Parametry zabiegowe
Parametry zabiegu to:
rodzaj fali, impulsowa, przerywana
częstotliwość- kHz
moc- W/cm2 w tym wielkość powierzchni czynnej glowicy
czas trwania, liczba zabiegów w serii, przerwy między zabiegami.
Dawki zabiegu: wg Miki
dawka słaba od 0,05 do 0,5 W/cm2
dawka średnia od 0,5 do 1,5 W/cm2
dawka mocna od 1,5 do 2,0 W/cm2
Nie należy przekraczać dawki 2 W/cm2
Rodzaje emisji UD
emisja ciągła 100% wypełnienia
emisja impulsowa gdzie stosujemy różne procentowo wypełnienie emisji( jest to stos. czasu impulsu do okresu) i określa jaka część okresu jest wypełniona impulsem , a jaką część stanowi przerwa.
Czasy trwania zabiegu stosowane w terapii
czas krótki 1-3 minuty
czas średni 4-9 minut
czas długi 10-15minut
Liczba zabiegów w serii, stosowana w terapii
Jako serię w schorzeniach przewlekłych stosuje się 10 zabiegów
W ostrym stadium schorzenia stosuje się 6 lub mniej zabiegów.
Częstotliwość wykonywania zabiegów
standardowo zabiegi wykonuje się codziennie lub co drugi dzień
między seriami zabiegów powinno się stosować dłuższe (kilkumiesięczne ) przerwy.
Wskazania do stosowania UD
astma oskrzelowa
bole ucha
neuralgie po półpaśćcu
choroby reumatyczne: RZS, artrozy
zapalenia okolostawowe
choroby ścięgien i przyczepów mięśni, przykurcze np.przykurcz Dupuytrena
stany po złamaniach
zespoły bólowe kręgosłupa w przebiegu dyskopatii
choroba Bechterewa
zespół Sudeka
skręcenia, krwiaki pourazowe
zwiększone napięcie mięśniowe.
Przeciwwskazania do stosowania UD
Bezwzględne:
nadźwiękawianie okolic serca, płuc, narządów miąższowych jamy brzusznej, jąder
nowotwory, stany przed nowotworowe
ciąża, niedyzpozycja
okolica oczu, okolica głowy- do C3 gdzie znajduje się rdzeń przedłużony
kości u dzieci i mlodzieży- okolice nasad
okolice po laminektomii
Względne:
niewydolność krążenia
zaburzenia rytmu serca
zapalenia żył i zakrzepy
ostre infekcje bakteryjne i wirusowe
zaburzenia czucia
gruźlica płuc, roztrzenie oskrzeli
stany ostre, gorączka
rozrusznik serca
po naświetlaniach RTG- dopiero po 8 miesiącach
metal w kościach
u chorych na cukrzycę
BHP
zabieg wykonuje osoba uprawniona
zabiegi wykonywane są wg. zleceń lekarza z uwzględnieniem przeciwwskazań i wskazań
aparat do UD nie może pracować w pobliżu aparatów elektromagnetycznych ( fale krótkie i mikrofale)- dochodzi do zmian mocy energii generatora w aparatach
zawsze do zabiegu stosujemy środek sprzęgający
przed zabiegiem sprawdzamy emisję UD
pacjent powinien być poinformowany o wykonywanym zabiegu
pacjent podczas zabiegu powinien przyjąć pozycję wygodną i powinien być rozluźniony
po zabiegu pacjent powinien odpocząć przez czas okolo20-30 minut
żądaną moc zabiegu należy ustawić dopiero po przyłożeniu głowicy do skóry
osoba wykonująca zabieg powinna mieć założone białe rękawiczki, a w wodzie dodatkowo nałożone gumowe rękawiczki.