Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział fizjoterapii

Laboratorium z Biofizyki

Badanie efektów cieplnych związanych z oddziaływaniem ultradźwięków z cieczą

Magdalena Tobiasz

Grupa 6

Zespół 2

13 III 2006

• Co to są ultradźwięki

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

• Propagacja ultradźwięków w różnych ośrodkach

Dla ośrodków jednorodnych

Fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością dźwięku. Podczas przechodzenia fali przez tkankę mięśniową, natężenie jej ulega osłabieniu. W medycynie nie używa się współczynnika absorpcji, lecz tzw. warstwy pochłaniania połówkowego (po przejściu tej warstwy natężenie dźwięku spada dokładnie o połowę). Przy częstotliwości 800 kHz wynosi ona dla wątroby 5 cm dla nerki 3,7 cm. Należy pamiętać, że w bliskim sąsiedztwie głowicy generatora z powodu interferencji wartość natężenia mogą przekroczyć wartości początkowe.

Dla ośrodków niejednorodnych (ciało ludzkie) na rozchodzenie się fal wpływa różna struktura, gęstość i inne własności mechaniczne tkanek i narządów. Powodują one załamania, ugięcia i odbicia fal. Wynika stąd, że jeśli między głowicą generatora a skórą znajduje się nawet bardzo cienka warstwa powietrza to fale ultradźwiękowe nie będą mogły wnikać w głąb ciała. Dlatego też dla lepszego kontaktu nadźwiękawiamy przez wodę, warstwę ciekłej parafiny, oliwy, maści itp., których opór dźwiękowy jest zbliżony do tkankowego.

• Metody generacji ultradźwięków

1.Metody mechaniczne- tradycyjne mechaniczne układy drgające, jak płytki, struny oraz wszelkiego rodzaju gwizdki i syreny (wykorzystujące przepływ płynu lub gazu)

2.Metody termiczne- wyładowania elektryczne w płynach.

3.Magnetostrykcja- jest to zmiana długości rdzenia magnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid nawinięty na ten rdzeń.

4.Odwrócenie efektu piezoelektrycznego- efekt ten zachodzi w różnych minerałach, np. kryształach kwarcu lub turmalinu. Polega na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn kryształu kwarcu lub innego minerału szybko zmiennego napięcia elektrycznego.

5.Metody optyczne - światło laserowe odziaływujące z materialnym ośrodkiem

6.Metody naturalne- wytwarzane są przez niektóre zwierzęta (np. nietoperze, delfiny, owady) i wykorzystywane między innymi do echolokacji.

• Efekty fizyczne towarzyszące oddziaływaniu ultradźwięków na tkankę - efekt cieplny

Pochłaniana w ośrodku energia fali ultradźwiękowej przekształca się u dużej części w cieplną. Prowadzi to do wzrostu temp. w organizmie, szczególnie w pobliżu rozgraniczających ośrodki. Uważa się, że część leczniczego działania ultradźwięków zależy od podwyższenia temp. tkanek

• Bilans cieplny

Ciepło jest formą energii (energią przekazywaną na sposób mikroskopowy), a zatem podlega ono jednemu z najbardziej podstawowych praw fizyki - zasadzie zachowania energii. W myśl tej zasady energia nie zanika bez śladu, a więc i ciepło też nie może nagle ginąć, lub powstawać z niczego podczas jego przemian termodynamicznych.

Podstawowe równanie bilansu cieplnego ma postać:

Ciepło oddane = Ciepłu pobranemu

lub, używając symboli:

Q_pobr = Q_odd

Oba ciepła będące składnikami równania są liczone jako dodatnie - tzn. należy tak podstawiać do wzoru składniki ciepła pobranego i oddanego, aby obliczone ciepło miało wartość dodatnią.

• Kalorymetria

KALORYMETRIA [łac.-gr.], dział chemii fiz., zajmujący się metodami pomiarów efektów cieplnych, towarzyszących różnym procesom fiz., chem. i biol. (np. reakcjom chem., przemianom fazowym, rozpuszczaniu, adsorpcji, rozpadowi promieniotwórczemu), oraz parametrów charakteryzujących cieplne właściwości ciał (np. ciepła właściwego, przewodności cieplnej i in). Pomiary kalorymetryczne obejmują zakres temperatur od 0,002 do 6000 K.Pomiary przeprowadza się w przyrządach zw. kalorymetrami

• Sprawność cieplna

To miara zdolności urządzenia, organizmu lub procesu do przekształcenia energii cieplnej w inny rodzaj energii

η=^Eu/_Ed

Eu - energia użyteczna

Ed - energia dostarczona

Wyrażona jest w jednostkach bezwzględnych lub procentach. Z II zasady zachowania energii wynika, że sprawność dla dowolnej formy energii użytecznej nie może być większa od jedności (10%). Patrząc na to inaczej suma sprawności dla różnych form energii właściwej musi być równa jedności

• Regulacja temperatury w organizmie człowieka

Rolę układu termoregulującego pełni podwzgórze, jest receptorem informującym o temp. krwi oraz układem utrzymującym temp. na stałym poziomie. Część przednia podwzgórza stanowi ośrodek „utraty ciepła”, włącza mechanizmy wpływające na szybsze oddawanie ciepła. Część tylna - ośrodek „zachowania ciepła” nie dopuszcza do utraty ciepła w nadmiarze lub włącza mechanizmy wytwarzające ciepło. Układ termoregulacyjny wspomagany jest przez receptory ciepła i zimna narządów wewnętrznych oraz skóry. Receptory obwodowe reagują szybciej niż ośrodkowe ale są za to o wiele mniej czułe.

• Zastosowania medyczne ultradźwięków w diagnostyce i terapii

Terapia

Leczenie przy pomocy ultradźwięków jest znane od dziesięcioleci i należy do wypróbowanych metod terapeutycznych. Ultradźwięki wytwarzają drgania (mikromasaż) i gerują ciepło oddawane do tkanek.

Do ważniejszych zastosowań należą:

• Schorzenia i skutki urazów aparatu ruchowego

• Zapalenia reumatyczne

• Schorzenia stawów i kręgosłupa

• Schorzenia wewnętrzne np.: układu trawienia

• Schorzenia dermatologiczne

• Zaburzenia narządów ruchu

• Zaburzenia tkanki łącznej

• Zaburzenia nerwów obwodowych

• Niszczenia patologicznych ognisk w głębi tkanek

Zastosowanie ultradźwięków jest zasadniczo zgodne z innymi metodami fizykoterapeutycznymi. Odbicie i interferencje ultradźwięków wzmacniają działanie terapeutyczne na granicach tkanek.

Efekt tłumienia bólu i zwiększonego przepływu krwi, które powstają na skute zastosowania ultradźwięków zwiększają zakres ich stosowania.

Dzięki temu terapia ultradźwiękowa daje efekty terapeutyczne w przypadkach, w których inne rodzaje fizykoterapii nie dają rezultatów. Dotyczy to w szczególności schorzeń układu ruchowego

W przypadku choroby Parkinsona przeprowadzono w Illinois próby w zakresie neurosonochirurgii, w których działając skupionymi odpowiednio wiązkami promieni ultradźwiękowych zniszczono tkankę nowotworową w mózgu bez widocznego uszkodzenia tkanek zdrowych. W podobny sposób kruszy się kamieni fizjologiczne.

Ultradźwięki umożliwiają wytworzenie aerozolu zawierającego rozpylone odpowiednie środki lecznicze wprowadzane do organizmu w drodze inhalacji, w postaci niezwykle drobnych cząsteczek, co umożliwia przenikanie ich do drobnych oskrzelików, a nawet pęcherzyków płucnych.

W stomatologii znalazły zastosowanie wiertła ultradźwiękowe, dzięki którym plombowanie zębów jest bezbolesne.

Ultrasonoterapia, leczenie ultradźwiękami. Ich wpływ leczniczy polega na działaniu przeciwbólowym, zmniejszaniu napięcia mięśni, rozszerzeniu naczyń krwionośnych, hamowaniu procesów zapalnych, przyspieszaniu wchłaniania tkankowego. Działają na autonomiczny układ nerwowy. Stosowane w leczeniu choroby zwyrodnieniowej stawów, zapaleń okołostawowych, nerwobólów oraz zespołów bólowych.

Diagnostyka

Medycyna stosuje ultradźwięki m.in. tam gdzie promienie X nie dają efektu jak w diagnozie wczesnych stadiów nowotworowych. Metodą echa impulsów można określić położenie tkanki nowotworowej. Ultradźwięki impulsowe stosowane są również w diagnostyce ginekologicznej oraz w badaniach schorzeń serca

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

1.              Zapoznaj się z podstawowymi możliwościami aparatu BTL 400 (z instrukcji). Zanotuj parametry:

        Powierzchnia czynna głowicy (4cm²)

        Częstotliwość pracy (stany ostre 5x na tydz., chroniczne 3x na tydz.)

        Natężenie ultradźwięków (2 W/cm²)

2.              Zapoznaj się ze schematem ćwiczenia. Zanotuj wszystkie typy przyrządów urządzeń w sprawozdaniu:

        Generator ultradźwięków BTL 4000

        Głowica ultradźwiękowa

        Termometr cyfrowy

3.              Badanie efektu cieplnego:

        Przygotuj kalorymetr

        Umieść sondę w kalorymetrze i włącz termometr

        Ustaw aparat BTL 4000: fala ciągła, czas 10 minut, natężenie 2 W/cm²

        Zanurz głowicę ultradźwiękową w wodzie na głębokość 1 cm i uruchom BTL 4000 (przycisk start/stop)

        Powtórz badanie zgodnie z w/w schematem ze współczynnikiem wypełnienia fali ultradźwiękowej 50 %

4.              W oparciu o zanotowane wyniki sporządź wykres zmian temperatury w czasie dla dwóch ciągów fal ultradźwiękowych

5. Zanotuj wnioski z ćwiczenia

czas [min]	temperatura fala ciągła 100%	temperatura fala 50%
0	21,0	21,0
0,5	21,1	21,1
1	21,5	21,2
1,5	21,6	21,3
2	21,8	21,5
2,5	22,0	21,6
3	22,2	21,7
3,5	22,3	21,8
4	22,5	21,9
4,5	22,7	22,0
5	22,9	22,0
5,5	23,1	22,1
6	23,2	22,2
6,5	23,4	22,3
7	23,5	22,4
7,5	23,7	22,5
8	23,8	22,5
8,5	24,0	22,6
9	24,1	22,7
9,5	24,3	22,8
10	24,4	22,9

Obliczenia:

Ciepło pobrane

Q = m c Δt

Ciepło właściwe wody [c] = 4200 ^J/_kg

Q_100% = 0,2 kg x 4200 ^J/_{kg °C} x 3,4 °C Q_50% = 0,2 kg x 4200 ^J/_kg °C x 1,9 °C

Q_100% = 2856 J Q_50% = 1596 J

Sprawność

Q₁ - Q₂ T₁ - T₂

η= ________ = _______

Q₁ T₁

21 - 24,4 21 - 22,9

η_100% = _________ = 0,14% η_50% = ____________ = 0,083%

24,4 22,9

Wniosek:

Z obliczeń ciepła pobranego przez ośrodek (wodę) wynika, że przy współczynniku wypełnienia fali ultradźwiękowej = 50% ciepło pobrane przez wodę również zmniejsza się o około połowę względem ciepła pobranego przy współczynniku wypełnienia fali ultradźwiękowej = 100%. Niewielka rozbieżność pomiędzy wynikami może brać się z niedoskonałości wykonanego doświadczenia.

Ta sama zasada tyczy się relacji pomiędzy sprawnościami przy różnych współczynnikach wypełniania fali.

---