Kommunikációs és kommunikációs fizikai okok és ultrahangos terápiás módszerek
BIOLÓGIAI INFORMATIKAI ÉS RÁDIÓ ELEKTRONIKUS EGYETEM
"A fizikai igazolás és az ultrahangterápiás eljárások végrehajtása." Ultrahangterápiás eszközök hardveres megvalósítása "
Az ultrahangkezelés fizikai alapjai és eljárása
A testszövetekben, mint bármely szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú anyagban, mechanikus (rugalmas) rezgések és hullámok keletkezhetnek. A mechanikai rezgéseket és a hullámokat 16 Hz alatti frekvencián infravörösnek nevezik. Az ilyen rezgések terápiás alkalmazása látható a vibráló masszázs példáján. A 16 Hz és 20 kHz közötti frekvenciatartományban a mechanikai oszcillációkat és hullámokat hanghullámoknak nevezik, és a fül érzékeli. A 20 kHz feletti frekvenciájú mechanikai rezgéseket és hullámokat ultrahangnak (vagy egyszerűen ultrahangnak) nevezik, és a fül nem érzékelhető. Az ultrahangos rezgések spektrumának felső határát nem állapították meg. Jelenleg ultrahang rezgések keletkeznek több százmillió hertz frekvencián.
Hang- és ultrahanghullámokban a részecskék oszcillációi ugyanolyan irányban zajlanak, mint a hullámterjedés. Az ilyen hullámok, amelyeket longitudinálisnak neveznek, a hullámterjedés irányában mozgó anyag kondenzációjának és ritkításának alternáló területei. A hosszanti, valamint a keresztirányú hang- vagy ultrahanghullámokon kívül szilárd anyagok is keletkezhetnek.
A hullám két legközelebbi pontja közötti, egy fázisban oszcilláló távolságot (például a két szomszédos kondenzáció vagy ritkítás szekciópontjai között) a hullámhossznak nevezzük. Az ultrahangos rezgések gyakoriságának f és a hullámhossz között # 955; van egy függőség # 955; = c / f. ahol c a hullám terjedési sebessége egy adott közegben. A propagációs sebesség függ a tápközeg rugalmasságától és sűrűségétől; A folyadékokban magasabb, mint a gázoknál, és szilárd anyagoknál magasabb, mint folyadékoknál.
A levegőben az ultrahanghullám 330 m / s sebességgel terjed. A terjedési sebessége az ultrahang különböző lágy szövetek a test közötti tartományban van 1445-1600 m / s, és nem térnek el több, mint 10% a terjedési sebessége vízben (kb 1500m / s).
A csontszövetben a szaporítási sebesség magasabb - körülbelül 3370 m / s. Így a 880 kHz frekvenciával, amelyet leggyakrabban ultrahang terápiában használnak, a test hullámhossza a vízben és a lágyrészekben 1,6-1,8 mm.
Az ultrahanghullám létrehozása és fenntartása állandó átállást igényel az oszcilláció forrásának energiakörülményeire. Ez az energiát az egyensúlyi helyzethez közeli közeg részecskéinek oszcillációjában az egyik részecstől a másikba viszik át, úgyhogy az ultrahangos hullám energiája az anyag átvitelének nélkül továbbítható.
A hullámterjedés irányára merőleges 1 cm2-es tartományon keresztül átadott energiamennyiséget ultrahangos rezgések intenzitásaként nevezik. Mivel az energiánként 1 s érték az energia, az intenzitás megegyezik az oszcilláció erősségével 1 cm 2 -re.
Az ultrahang hullámban előforduló anyagok részecskéinek vibrációs mozgását az elmozdulás nagyon kicsi amplitúdója és rendkívül nagy gyorsulás jellemzi. Például, frekvenciája 880 kHz részecske testszövetekben, amelyben a hullám terjed, amelyek intenzitása 2 W / cm 2 (maximális intenzitás során alkalmazott ultrahangos kezelés) oszcillál amplitúdója körülbelül 3,5 x 10 ~ 6 cm. A maximális gyorsulás eléri a ez 90 × 10 6 cm / s 2. ami meghaladja a testek szabad esésének gyorsulását közel 100 ezer alkalommal.
Jelentős mennyiségű változó (akusztikus) nyomás hat az anyag vibráló részecskéire. Így például az ultrahang terápiás alkalmazásával a fenti paraméterekkel, a változó nyomás amplitúdója eléri a 2,7 atm értéket.
Az ultrahangos rezgések által a közepes részecskék által tapasztalt óriási gyorsulások és jelentős nyomások nagymértékben meghatározzák az ultrahang (beleértve a terápiás) hatását a test szöveteire.
Amikor az ultrahangos hullám elterjed, az energiaveszteségek előfordulnak a közeg részecskéinek hőkezelésekor. Ebben az esetben az ultrahang intenzitása exponenciális törvény szerint csökken. A folyamat jellemzésére a "penetrációs mélység" kifejezést használjuk. A behatolási mélység megegyezik azzal a távolsággal, amelyen az ultrahang hullám intenzitása egy e tényezővel csökkent (e ≈ 2.7 - a természetes logaritmusok alapja). Az energiaabszorpció az oszcilláció frekvenciájával nő, a penetráció mélysége csökken. Egy gyakorisága 880 kHz, a behatolási mélység az ultrahangos energiát az izomszövetek körülbelül 5 cm a zsírszövetben - körülbelül 10 cm, a csont - körülbelül 0,3 cm Kis energiaveszteséget a zsírszövetben rétegek, és így elhanyagolható hő egy megfelelő behatolást. az izmok energiája jó feltételeket nyújt az ultrahang terápiás alkalmazásához.
Ugyanakkor az ultrahang energia eloszlása a testszövetek rétegei között jellegzetes jellemzője, amely a csontszövetek intenzív fűtését jelenti. Ez megkülönbözteti az ultrahang hatását az elektromágneses hullám hatásától, és figyelembe kell venni az ultrahang terápiás eljárások során.
Ultrahangterápiás berendezések hardveres megvalósítása
Az ultrahangos hullámok forrása minden olyan test, amely oszcilláló mozgásban van a megfelelő frekvenciával. Egy ultrahang frekvenciája néhány tíz kilohertz magnetostrikciós jelenség általánosan használt, amely abban áll, hogy az intézkedés alapján a váltakozó mágneses tér némileg változó hossza mentén területén található rúd ferromágneses anyagból. Ez a periodikus megnyúlás és a rúd rövidítése a közegnek a rúd végeihez közeli részecskéjét ossza meg, amelyben ultrahanghullám képződik. Az orvostudományban a viszonylag nagy gyakoriságú, 800-3000 kHz-es frekvenciájú ultrahangot használják a terápia során, amit egy úgynevezett inverz piezoelektromos hatás révén kapnak. Fordított piezoelektromos hatás az, hogy sok kristályok (kvarc, Rochelle-só, bárium-titanát, stb) Az intézkedés alapján egy elektromos mező hatására a relatív elmozdulás a poláris atom csoportok alkotó alapvető szerkezete olyan anyag, amely okoz megfelelő változás kristályok mérete.
Ha az elülső felületek lemez vágott egy bizonyos módon a kvarckristály az elektródák által alkalmazni váltakozó feszültséget, a lemezvastagság felváltva csökken és növekszik a frekvencia növelésével az alkalmazott feszültség.
A lemez szomszédos rétegeiben a lemez vastagságának csökkenésével ritkítás keletkezik, és a lemez vastagsága csökken, a közepes részecskék vastagodnak.
Így, ennek eredményeként a periodikus változása lemezvastagság, úgynevezett piezoelektromos átalakító, egy ultrahang hullám fordul elő a közeg irányában kiterjedő merőleges a lemez felületén (ábra. 1).
1. ábra - Az ultrahangos hullámképződés rendszere
Az ultrahangos hullámok ugyanazokat a törvényeket engedelmeskednek, mint a hanghullámok. Egy nagyobb frekvenciával és egy ennek megfelelően rövidebb hullámhosszal kapcsolatban az ultrahanghullámok könnyebben összpontosíthatók, a közeg jobban felszívódik, mint a hanghullámok.
Az ultrahangkezelésre szolgáló berendezés elektromos oszcillációk generátorából áll, amelynek oszcilláló áramköréhez piezoelektromos jelátalakító van csatlakoztatva. A konverter egy külön fejjel (emitter) kerül, amelyet kábelen keresztül csatlakoztatnak a készülékhez.
A fej vázlatosan szemléltetett keresztmetszete a 2. ábra, tartalmaz egy hengeres, fém test 4, alapján amelyek közül az egyik egy piezoelektromos átalakító - egy tányér 6. A lemezt által tartott rugótartó 3, és a tartó 7. By mindig egy vékony réteg levegő, így a fogantyú irányába az ultrahang nem kerül kibocsátásra. Az amplitúdó a rezgések, a lemez és, következésképpen, az intenzitás az ultrahangos hullám terjesztő elülső felületén az átalakító, akkor lesz a legnagyobb a koincidencia a természetes rezonancia frekvenciája frekvenciájának lemez. Ez a feltétel akkor teljesül, ha a lemez vastagsága egyenlő páratlan számú fél hullámhossz (frekvenciája 880 kHz kvarc lemezvastagság egyenlő egy félhullám körülbelül 3,26 mm).
2. ábra - Az ultrahangterápiás készülékek fejének ábrája
A bázist 1 van rögzítve a fej test a hollandi anyával 5. Annak érdekében, hogy az ultrahangos hullám áthalad a bázis (rezonátor) gyengítése nélkül annak vastagsága legyen egész számú félhullámú (jellemzően egy vagy két).
A fejtest a 2 fogantyúban van rögzítve, amellyel az eljárás alatt tartják. A fogantyú belsejében áthalad a tápvezeték a generátorról. A 8 hüvelyen keresztül vezetett huzal a 3 tartóhoz csatlakozik, amely elektromos érintkezésben van a konverterrel. A második elektród a fejház, amelyhez a tápkábel árnyékoló zsinórja van csatlakoztatva.
Az elmúlt években a bárium titanát kerámiák piezoelektromos átalakítói széles körben használatosak ultrahangos terápiás eszközökben. A bárium-titanát kerámia kis kristályok magas hőmérsékleten szinterezettek, vagyis polikristályos szerkezete van. Az előnye, hogy szemben a kvarc alacsony költség és kisebb a szükséges feszültség gerjeszti az ultrahangos rezgés (a feszültség a kvarc lemez gyakorisággal 880 kHz és intenzitása 2 W / cm 2 magasabb, mint 1500 V, a feszültség a lemezen a kerámia bárium-titanátot ugyanazon intenzitás legfeljebb 100 V). Ez lehetővé teszi a készülék tervezésének és elrendezésének egyszerűsítését, különösen a rugalmas kisfeszültségű kábel alkalmazását a fej működtetéséhez.
Az ultrahang hatását a test szöveteire általában közvetlenül végzi a fej végfelülete az érintett területre. Ezt a módszert alkalmazzák, amikor kitéve viszonylag sima felületre és a lágy szövetek a test lehetnek helyhez (stabil) és a mozgatható (labilis), amely alatt az ultrahangos fej simán, masszírozó mozgás felület menti mozgatásra az expozíciós terület.
Az ultrahangkezeléssel kapcsolatos eljárások során különös figyelmet kell fordítani a fej és a test test közötti jó akusztikai kapcsolat biztosítására. Tekintettel a jelentős különbséget a sűrűség a levegő és a szilárd anyagok, valamint a különbségek az árak ultrahang terjedése ezen a média határán egy szilárd test levegő majdnem teljes reflexió az ultrahangos hullám. Ezért nem szabad légtér a fej és a test között. Ehhez, a felszínen a besugárzott terület a test bevont közbenső közeg, jellemzően vazelinolajat kitöltésével minden lehetséges közötti légrések a fej és a test.
Egy komplex test felszínén például egy láb, ultrahang keletkezik a fürdőben lévő vízen keresztül.
A végtag és a radiátor egy meleg vízfürdőbe kerülnek. Az emitter vagy mozdulatlanul helyezkedik el a test felszínétől kis távolságra, vagy lassan és simán mozgatja az expozíció területét. Ha az alulról végzett művelet elvégzéséhez szükséges, akkor a fürdőkád alján egy lapos fém reflektor helyezkedik el, irányítva a radiátor hullámát a besugárzott felületre.
Az ultrahangos rezgéseknek a test szöveteire kifejtett hatása összetett mechanizmus, melyben három alapvető összetevő különböztethető meg: mechanikai, termikus és kémiai.
Az ultrahang mechanikai hatása, a szövetrészecskék vibrációi miatt, egyfajta "mikromasszázs" a szövetek számára. A sejtszerkezetek kölcsönös térbeli elrendezésében bekövetkező változások, amelyek e folyamat során előfordulnak, átrendeződésükhöz vezetnek, funkcionális állapotukban. Az ultrahang hullám energiájának abszorpciójához kapcsolódó termikus hatás a részecskék kölcsönös súrlódása következtében az izom- és különösen a csontszövetek túlnyomó melegítéséhez vezet.
Az ultrahang kémiai hatása ezeknek a mechanikai és termikus hatásoknak a következménye. Az ultrahang okozta fő biokémiai eltolódások az oxidációs folyamatok intenzitása, a diffúziós folyamatok intenzívebbé válása stb.
Az ultrahangterápiával végzett dozimetria az ultrahang előre beállított intenzitását és az expozíció időtartamát állítja be. A W / cm2-ben kifejezett intenzitást rendszerint a készülék kimeneti teljesítményszabályozójának skáláján kell feltüntetni; a mobil technikához használt intenzitás szokásos értékei 0,5-1,5 W / cm, rögzített technikával 0,05-0,3 W / cm 2.
A folyamatos beavatkozás mellett az ultrahang terápiában széles körben alkalmazzák a pulzus (intermittáló) hatásmódot. Ebben az esetben az impulzus időtartama 4-10 ms alatt történik. 50 Hz ismétlési sebesség mellett. Az oszcillációk átlagos intenzitása ebben az esetben kisebb, mint a mérlegen feltüntetett, annyiszor, mint amennyit a hüvelyek időtartama rövidebb, mint az azt követő időszak.
Működés közben az intenzitásszabályozó léptékének időszakos kalibrálását kell elvégezni. Ehhez a készülék kimeneti ultrahangos teljesítményét speciális eszközzel mérik. Az ultrahangos rezgések intenzitását a radiátor teljesítmény- és munkaterületének ismert értékeiből lehet meghatározni.
A teljesítménymérések arra a tényre épülnek, hogy a szaporító ultrahanghullám állandó nyomást fejt ki a test felületére, megakadályozva a terjedését. A nagysága ezt a nyomást teljes visszaverését az akadály egyenesen arányos a intenzitását és fordítottan arányos a sebesség terjedési ultrahang. Annak ellenére, hogy a kifejtett nyomás hullám nagyon kicsi (a maximális terápiás intenzitás vízben vagy testszövetekben - tízezred atmoszférában), lehetőség van arra, hogy mérni érzékeny eszközök, amelyek osztályozzák szempontjából a kisugárzott ultrahang áramforrás.
Ultrahangos terápiás technika
Az UZT készülékek kimeneti fázisai:
- egytranzisztoros áramkör
- kétfokozatú kaszkád áramkör
Az UZT készülékek kimeneti fázisai
Acoustoelektronikus terápiás készülék
Az akusztikai terápiás eszközök hatással vannak a testre mechanikus hullámokkal az akusztikus hullámhosszon. A szövet minden egyes molekulája kicsiny oszcillációs amplitúdóvá válik, ugyanakkor nagy gyorsulást eredményez. Nagyobb átmérőjű edény megvalósításához alacsonyabb frekvencia szükséges, mint amikor a hajót kisebb átmérőnek tesszük ki. Ebben az összefüggésben olyan módszer és berendezés javasolt, amelyben az akció gyakorisága idővel változik. Piezokerámiás átalakítót használnak emitterként.
3. ábra - A hangfrekvencia oszcillációjának grafikonja a szöveten
4. ábra - Acoustoelektronikus terápiás készülék