Ультразвук диапазон частот: параметры, виды волн, затухание и отражение

параметры, виды волн, затухание и отражение

Дмитрий Левкин

Ультразвук — механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Фильм ВГТРК Наука 2.0 Большой скачок. Ультразвук за гранью слышимости.

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

, (1)

• где f – частота, Гц,
• T – период, с

Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

, (2)

• где – длина волны, м,
• с – скорость звука, м/с

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

, (3)

• где – скорость звука для продольных волн, м/c,
• E – модуль упругости, Па,
• – коэффициент Пуассона,
• – плотность, кг/м³

Для поперечных волн она определяется по формуле

, (4)

• где – скорость звука для поперечных волн, м/с,
• G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

• где р — амплитуда звукового давления, Па
• v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
• — плотность среды, кг/м³
• с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м². В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10^-12 Вт/м² до сотен кВт/м² в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

• убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
• рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
• поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r², амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны — пропорционально .

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна , а интенсивность – в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где – коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

, (6)

• где – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
• L – расстояние, м,
• p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

, (7)

• где – коэффициент затухания от времени, 1/с,
• T – время, с,
• p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

, (9)

• где A₁ – амплитуда первого сигнала,
• A₂ – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

, (10)

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

, (11)

• где Z – волновое сопротивление, ,
• – плотность, кг/м³,
• с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

• где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
• Z₁ – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м²с),
• Z₂ – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м²с)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т. е. Z₁>Z₂, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

, (16)

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м².

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

• где N – длина ближней зоны, м,
• D – диаметр излучателя, м,
• – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

, (18)

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Библиографический список

• Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
• Голямина И.П. Ультразвук. -Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
• General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
• Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
• Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
• Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.

Ультразвук — это… Что такое Ультразвук?

        упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5— 2 ․10⁴гц (15—20 кгц) и до 10⁹ гц (1 Ггц), область частот У. от 10⁹ до 10^12-13гц принято называть Гиперзвуком. Область частот У. можно подразделить на три подобласти: У. низких частот (1,5․10⁴—10⁵ гц) — УНЧ, У. средних частот (10⁵ — 10⁷ гц) — УСЧ и область высоких частот У. (10⁷—10⁹гц) — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.
         Физические свойства и особенности распространения ультразвука. По своей физической природе У. представляет собой Упругие волны и в этом он не отличается от Звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения У. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4․10^-3—3,4․10^-5см, в воде 1,5․10^-2—1,5 ․10^-4 см и в стали 5․10^-2— 5․10^-4см. У. в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием (см. Поглощение звука). Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники У., затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание У. при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны У. на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость У. с и коэффициент поглощения α, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается Молекулярная акустика. Характерная особенность распространения У. в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения (см. Дисперсия звука). Коэффициент поглощения У. в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории (см. Релаксация), которая описывает распространение У. в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости с и особенно α от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).
         Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики (См. Геометрическая акустика). Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства У., как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука (См. Фокусировка звука) (рис. 1).
         Следующая важная особенность У, — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики (См. Нелинейная акустика). Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением (рис. 2). Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости У.
         К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустическая Кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей У.) явлений. Частоты У., при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. В воде на частоте 20 кгц она составляет около 0,3 вт/см². На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких вт/см² может возникнуть фонтанирование жидкости (рис. 3) и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана.
         Генерация ультразвука. Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 основные группы — механические, в которых источником У. является механическая энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической. Механические излучатели У.— воздушные и жидкостные Свистки и сирены (См. Сирена) — отличаются сравнительной простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, кпд их составляет 10—20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей — сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично — как средства сигнализации.
         Основной метод излучения У.— преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели У., использующие магнитострикционный эффект (см. Магнитострикция) в никеле и в ряде специальных сплавов, также в Ферритах. Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества (См. Пьезоэлектричество). Основными пьезоэлектрическими материалами (См. Пьезоэлектрические материалы) для излучателей У. служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ — главным образом различные пьезокерамические материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, а пьезоэлектрические — пластинку (рис. 4) или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные пьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается между металлическими блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.
         Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации У. в области УСЧ чрезвычайно широк: интенсивности от 10^-14—10^-15вт/см² до 0,1 вт/см² считаются малыми. Для многих целей необходимо получить гораздо большие интенсивности, чем те, которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой У. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титаната бария, на частоте 0,5 мгц удаётся получать в воде интенсивности У. большие, чем 10⁵вт/см². Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне УНЧ часто пользуются стержневыми ультразвуковыми концентраторами (см. Концентратор акустический), позволяющими получать амплитуды смещения до 10^-4 см.

         Выбор метода генерации У. зависит от области частот У., характера среды (газ, жидкость, твёрдое тело), типа упругих волн и необходимой интенсивности излучения.

         Приём и обнаружение ультразвука. Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма У. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: У., распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света на У. и её различным применениям.

         Применения ультразвука. Применения У. чрезвычайно разнообразны. У. служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника, на основе достижений которой разрабатываются различные приборы для обработки сигнальной информации в микроэлектронике. У. играет большую роль в изучении вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов, в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэффициента поглощения α используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик вещества. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие квантов упругих возмущений — Фононов — с Электронами, Магнонами и др. квазичастицами (См. Квазичастицы) и элементарными возбуждениями в твёрдых телах. У. широко применяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше проникают в биологию и медицину.

         Применение У. в технике. По данным измерений с и α, во многих технических задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава различных жидкостей и т.д.). Используя явление отражения У. на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. У. сравнительно малой интенсивности (до Ультразвук0,1 вт/см²) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.) (см. Дефектоскопия). Быстро развивается направление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу (конструкции) твёрдого тела он «потрескивает» (подобно тому, как при изгибе «потрескивает» оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает движение дислокаций (См. Дислокации), которые при определённых условиях (до конца ещё пока не выясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность дислокаций и субмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащим частоты У. При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. При помощи У. осуществляется Звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощи У. видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета (рис. 5). Развитие голографии (См. Голография) привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии.
         Весьма важную роль У. играет в гидроакустике (См. Гидроакустика), поскольку упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся в морской воде. На принципе отражения ультразвуковых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, строится работа таких приборов, как Эхолот, Гидролокатор.
         У. большой интенсивности (главным образом диапазон УНЧ) оказывает воздействие на протекание тех или иных технологических процессов (см. Ультразвуковая обработка) посредством нелинейных эффектов — кавитации, акустических потоков и др. Так, при помощи мощного У. ускоряется ряд процессов тепло- и массообмена в металлургии. Воздействие ультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить более мелкокристаллическую и однородную структуру металла. Ультразвуковая кавитация широко используется для очистки от загрязнений как мелких (часовое производство, приборостроение, электронная техника), так и крупных производственных деталей (трансформаторное железо, прокат и др.). С помощью У. удаётся осуществить пайку алюминиевых изделий. В микроэлектронике и полупроводниковой технике используется ультразвуковая приварка тонких проводников к напылённым металлическим плёнкам и непосредственно к полупроводникам. С помощью ультразвуковой сварки (См. Ультразвуковая сварка) соединяют пластмассовые детали, полимерные плёнки, синтетические ткани и др. Во всех этих случаях ту или иную роль играет процесс ультразвуковой очистки, локальное нагревание под действием У., ускорение процессов диффузии, изменение состояния полимера. У. позволяет обрабатывать хрупкие детали (например, стекло, керамику), а также детали сложной конфигурации (рис. 6). В этих процессах основную роль играют удары ультразвукового инструмента по частицам абразивной суспензии.

         В. А. Красильников.

         У. в биологии — биологическое действие У. При действии У. на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению У. в среде. Биологическое действие У., то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них У., определяется главным образом интенсивностью У. и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях У. (до 1—2 вт/см²) механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности У. может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки).

         При поглощении У. в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

         В основе биологического действия У. могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах (См. Биополимеры) и др. жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. У. повышает проницаемость биологических мембран (См. Биологические мембраны), вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.

         Л. Р. Гаврилов.

         У. в медицине. У. используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения в различных областях клинической медицины. Способность У. без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей используется для исследования внутренних органов. Ультразвуковые методы диагностики в ряде случаев позволяют более тонко различать структуру тканей, чем рентгеновские. Так, с помощью У. обнаруживаются опухоли мягких тканей, часто не различимые др. способами. У. применяют в акушерстве для диагностического исследования плода (рис. 7) и беременной женщины, в нейрохирургии — для распознавания опухолей в головном мозге (Эхоэнцефалография), в кардиологии — для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы сердца. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей под действием У. используются в медицине для терапевтических целей (см. Ультразвуковая терапия).

         Ультразвуковая хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с разрушением тканей собственно звуковыми колебаниями, а вторая — с наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент. В первом случае применяется фокусированный У. с частотами порядка 10⁶— 10⁷ гц, во втором — колебания на частотах 20—75 кгц с амплитудой 10—50 мкм. Ультразвуковые инструменты применяются для рассечения мягких и костных тканей, позволяя при этом существенно уменьшать усилие резания, кровопотери и болевые ощущения. В травматологии и ортопедии У. используют для сварки сломанных костей: при этих операциях костной стружкой, смешанной с жидкой пластмассой, заполняют пространство между костными отломками; под действием У. образуется их соединение.

         У. применяется также в биологической и медицинской лабораторной практике, в частности — для диспергирования биологических структур, для относительно тонких воздействий на структуру клеток, при стерилизации инструментов и лекарственных веществ, для изготовления аэрозолей, а также в бактериологии, иммунологии и т.д. для получения ферментов и антигенов из бактерий и вирусов, изучения морфологических особенностей и антигенной активности бактериальных клеток и др.

         У. в природе. Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20 кгц. Так, птицы болезненно реагируют на ультразвуковые частоты более 25 кгц, что используется, например, для отпугивания чаек от водоёмов с питьевой водой. Мелкие насекомые при своём полёте создают ультразвуковые волны. Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или вовсе не имея его, ориентируются в полёте и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы (рис. 8) с частотой повторения несколько гц и несущей частотой 50—60 кгц. Дельфины излучают и воспринимают У. до частот 170 кгц; метод ультразвуковой локации у них развит, по-видимому, ещё совершеннее, чем у летучей мыши.

         Изучением У. и его применением занимается большое количество различных институтов и лабораторий как в нашей стране, так и за рубежом. Такие лаборатории имеются в Акустическом институте АН СССР, институте радиотехники и электроники АН СССР, на физических факультетах МГУ, ЛГУ и др. университетов СССР, в Калифорнийском, Станфордском, Брауновском и др. университетах США, в лабораториях фирмы «Белл систем» в США, в институтах и университетских лабораториях Англии, Японии, Франции, ФРГ, Италии и др. Основные работы по У. печатаются в Акустическом журнале АН СССР, журнале Американского Акустического общества, европейских журналах «Ultrasonics» и «Acustica», а также во многих других физических и технических журналах.

         Историческая справка. Первые работы по У. были сделаны ещё в 19 в. Французский учёный Ф. Савар (1830) пытался установить верхний предел по частоте слышимости уха человека; изучением У. занимались английский учёный Ф. Гальтон (1883), немецкий физик В. Вин (1903), русский физик П. Н. Лебедев и его ученики (1905). Существенный вклад был сделан французским физиком П. Ланжевеном (1916), который впервые использовал пьезоэлектрические свойства кварца для излучения и приёма У. при обнаружении подводных лодок и измерениях глубин моря. Г. В. Пирс в США (1925) создал прибор для измерения с большой точностью скорости и поглощения У. в газах и жидкостях (так называемый интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных для своего времени интенсивностей У. в жидкости, наблюдал ультразвуковой фонтан и исследовал влияние У. на живые организмы. Советский учёный С. Я. Соколов в 1928 положил начало ультразвуковой дефектоскопии металлических изделий, предложив использовать У. для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов в твёрдых телах.

         В 1932 Р. Люка и П. Бикар во Франции, П. Дебай и Ф. В. Сирс в Германии обнаружили явление дифракции света на ультразвуковых волнах, которое далее начинает играть большую роль в изучении структуры жидких и твёрдых тел, а также в ряде технических приложений. В начале 30-х гг. Х. О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и дисперсия У. в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено в ряде сложных (например, органических) жидкостей. Правильное теоретическое объяснение этим релаксационным явлениям было дано в общей форме советскими учёными Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Релаксационная теория явилась впоследствии основой молекулярной акустики.

         В 50—60-х гг. широкое развитие получают различные промышленные технологические применения У., в разработку физических основ которых в СССР был сделан большой вклад Л. Д. Розенбергом и его сотрудниками. Получение всё больших интенсивностей У. обусловило изучение особенностей распространения мощных волн У. в газах, жидкостях, твёрдых телах; быстро развивается нелинейная акустика, в становлении которой большую роль сыграли работы советских учёных Н. Н. Андреева, В. А. Красильникова, Р. В. Хохлова и др., а также американских и английских учёных.

         В 70-х гг., в особенности после работы Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации У. в пьезополупроводниках, быстро развивается акустоэлектроника.

         Лит.: Бергман Л., Ультразвук, пер. с нем., М., 1956; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1—7, М., 1966—74; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, т. 1—3, 1967—69; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Викторов И. А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966; Методы неразрушающих испытаний, под ред. Р. Шарпа, пер. с англ., М., 1972; Ультразвуковое резание, М., 1962; Ультразвуковая технология, под ред. Б. А. Аграната, М., 1974; Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука, М., 1973; Байер В., Дернер Э., Ультразвук в биологии и медицине, пер. с нем., Л., 1958; Interaction of ultrasound and biological tissues. Proceedings of a workshop…, ed. by J. M. Reid and M. R. Sikov, Wash., 1972.

         В. А. Красильников.

        Рис. 4. Излучение (приём) продольных волн L пластинкой, колеблющейся по толщине в твердое тело: 1 — кварцевая пластинка среза Х толщиной λ/2, где λ — длина волны в кварце; 2 — металлические электроды; 3 — жидкость (трансформаторное масло) для осуществления акустического контакта; 4 — генератор электрических колебаний; 5 — твёрдое тело.

        Рис. 7. Звуковое изображение человеческого плода возраста 17 недель, полученное с помощью ультразвука частотой 5 Мгц.

        Рис. 6. Фасонные матрицы из твердого сплава, изготовленные ультразвуковым способом.

        Рис. 8. Ультразвуковой импульс летучей мыши на расстоянии 10 см от ее рта, сфотографированный с экрана осциллографа, частота ультразвука в импульсе 48 кгц.

        Рис. 1. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа (частота ультразвука 8 Мгц).

        Рис. 2. Акустическое течение, возникающее при распространении ультразвука частотой 5 Мгц в бензоле.

        Рис. 3. Фонтан жидкости, образующийся при падении ультразвукового пучка изнутри жидкости на её поверхность (частота ультразвука 1,5 Мгц, интенсивность 15 вт/см²).

        Рис. 5а. Красные кровяные тельца, полученные оптическим микроскопом.

        Рис. 5б. Красные кровяные тельца, полученные ультразвуковым микроскопом.

Природа и свойства ультразвуковых колебаний

Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.
Колебания с частотой от единиц Герц (Гц) до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки. Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 10⁸ Гц, а колебания с частотой более 10⁸ Гц получили название гиперзвуков [1]. На рисунке 1.1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg₂f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3 …, n – номера октав.

Рисунок 1.1 — Диапазоны упругих колебаний в материальных средах

Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Для понимания природы упругих колебаний рассмотрим их свойства.
Форма волны — это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну, если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны, воздает сферическую волну.
Звуковые волны подразделяются по типу волн: они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения и распространения. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие из перечисленных типов волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (Рисунок 1.2, а), поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (Рисунок 1.2, б) [2].

а)

б)

а) движение частиц среды при распространении продольной волны; б) движение частиц среды при распространении поперечной волны.
Рисунок 1.2 – Движение частиц при распространении волны

Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (Рисунок 3) [3]. При этом длина волны λ связана с частотой f через скорость распространения волны в данном материале c: λ = c/f.

Рисунок 1.3 — Характеристики колебательного процесса

Частота – это количество колебаний, совершаемых системой в единицу времени; длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время равное периоду колебаний T (T = 1/f ), т. е. за время, затраченное на одно колебание; амплитуда колебаний – это максимальное отклонение колебательной системы от положения равновесия.
По своей физической природе звуковые и ультразвуковые колебания ничем друг от друга не отличаются. Это упругие колебания в материальных средах. Рассмотрим, какими параметрами можно охарактеризовать волну:
Длина волны λ — это расстояние, которое проходит волна, пока частица среды совершает одно колебательное движение. Расстояние между соседними максимумами или минимумами возмущения считают длиной волны.
Амплитуда колебаний А — представляет собой максимальное смещение частицы из положения равновесия во время ее колебательного движения, вызванного возбуждением частиц среды.
Частота колебаний f — это число колебаний, совершаемых частицей среды за одну секунду. Единицей частоты является Герц (Гц). Для звуковых волн, генерируемых средой, характерен непрерывный ряд или диапазон частот. Самая низкая частота волны называется основной или собственной, а остальные являются гармониками или обертонами. Частота второй гармоники в два раза превышает собственную частоту системы. Аналогично частота третьей гармоники превышает ее в три раза и т.д.
Период колебаний Т — это время, необходимое частице для совершения одного колебательного движения. По определению время, за которое волна производит f колебаний, равно 1 секунде.
Колебание – это возвратно-поступательное движение из одного крайнего положения в другое и обратно через положение равновесия.
Фаза колебаний φ — это отношение смещения колеблющейся частицы в данный момент времени к его амплитудному значению. Если точки колебательного процесса находятся в одной фазе (их разность фаз составляет 2π), то расстояние между этими двумя точками равно одной длине волны λ.
Скорость распространения колебаний С — это расстояние, пройденное волной за одну секунду.
Рассмотрим особенности ультразвуковых колебаний:
Обычно границей начала ультразвукового диапазона частот принято считать 16…20 кГц. Следует отметить, что столь большой диапазон выбран по той причине, что для каждого человека граница ультразвука (неслышимости звука) своя. Для некоторых это 10 кГц, для других — 20 кГц, а встречаются уникумы способные воспринимать и 25 кГц.
Еще более сложная проблема с определением верхней границы ультразвукового диапазона. Возможности человеческого уха здесь не играют роли, и приходится отталкиваться от физической природы упругих колебаний, которые могут распространяться в материальной среде при условии, длина волны больше межатомных расстояний.
Длина их волны пропорциональна 1/f . λ= с /f . На основании исследований установлено существование УЗ колебаний с частотой большей, чем 100 мГц. УЗ более высокой частоты затухает настолько, что колебания поглощаются непосредственно у поверхности излучателя.
На практике используются УЗ колебания с частотой до 25 мГц [2,3]. Колебания таких высоких частот могут распространяться только в кристаллах.

© 2020, ООО «Центр ультразвуковых технологий»
Любое использование материалов сайта возможно лишь с разрешения правообладателя и только при наличии ссылки на www.u-sonic.ru

Создание сайта — Mitra

Применение ультразвука

Краткое содержание:

Что такое ультразвук.

Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.

Частоты 16 — 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона – инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование неслышимых звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет »106 кГц, в жидкостях и твёрдых телах »1010 кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106 кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

• Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)




• Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.




• Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.




• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.




• Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

История ультразвука. Кто открыл ультразвук.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав — Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука — 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» от греческого слова, означающего «нажать». Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом — Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена – Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Получение ультразвука.

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:

1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.

2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция — это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях. В частности в акустических противонакипных устройствах «Акустик-Т», выпускаемых нашим предприятием.

Применение ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

• получение информации о веществе
• воздействие на вещество
• обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

• изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
• изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
• контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определение концентрации растворов
• определение прочностных характеристик и состава материалов
• определение наличия примесей
• определение скорости течения жидкости и газа

Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

• гидролокация
• неразрушающий контроль и дефектоскопия
• медицинская диагностика
• определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
• определения размеров изделий
• визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

Воздействие ультразвука на вещество.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:

• ультразвуковая сушка
• горение в ультразвуковом поле
• коагуляция аэрозолей

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация. На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука – звуколюминесценция, и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры – звукокапиллярный эффект.

Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств. Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

• уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
• снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
• упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
• Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке

Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:

• размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
• резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
• снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
• шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.

Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции – т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.

Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.

Где применяется ультразвук — сводная таблица

Наше предприятие, ООО «Кольцо-энерго», занимается производством и
монтажом акустических противонакипных устройств «Акустик-Т». Устройства,
выпускаемые нашим предприятием, отличаются исключительно высоким
уровнем ультразвукового сигнала, что позволяет им работать на котлах без
водоподготовки и пароводяных бойлерах с артезианской водой. Но
предотвращение накипи – очень малая часть того, что может ультразвук. У
этого удивительного природного инструмента огромные возможности и мы
хотим рассказать вам о них. Сотрудники нашей компании много лет работали
в ведущих российских предприятиях, занимающихся акустикой. Мы знаем об
ультразвуке очень много. И если вдруг возникнет необходимость применить
ультразвук в вашей технологии, мы будем рады вам помочь.

Без колебания о колебаниях

18 Марта 2018

Автор статьи инженер-технолог компании «Диполь», к.х.н. Татьяна Кузнецова

Использование ультразвука в процессе отмывки

Успех выполнения процесса отмывки в электронике зависит от огромного количества составляющих. И немалый вклад в положительный результат вносит оборудование. Причиной этого является наличие в оборудовании агитации — воздействия, которое ускоряет и увеличивает эффективность операции отмывки. Основным видом агитации при отмывке погружением считается ультразвук. Очень часто в своей практике я вижу принципиально разные отношения к ультразвуку: одни специалисты считают, что ультразвук моет все и это самый лучший вид агитации, другие уверены, что ультразвук портит все и использовать его категорически нельзя. Но, как обычно, истина где-то посередине, и тому, где именно ее искать, и посвящена эта статья.

Ну и начнем мы с обсуждения того, что же такое ультразвук

Ультразвук — звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 кГц. По физической природе ультразвукпредставляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна.

Главное, что нам надо понять, что ультразвуковые колебания перемещаются в виде волны и, по сути, к ним применимы все те законы, что мы с Вами учили в курсе оптики. Но в отличие от световых волн ультразвук распространяется в упругой среде (это в первую очередь жидкости и твердые тела) в вакууме ультразвук не распространяется (так как по сути передача ультразвука — это смещение частиц вещества под действием УЗ излучения и так как в вакууме вещества нет, а в газах его очень мало, то условно считаем, что там ультразвук не распространяется). Колебания, вызываемые источником ультразвука, вызывают смещение среды в направлении перпендикулярном движению волны (рис.1).

Если наполнить ультразвуковую ванночку чистой водой и включить ультразвук мы можем визуально увидеть круги, расходящиеся по воде (рис. 2).

Рис. 1. Смещение среды вследствие колебаний, вызываемых источником ультразвука

Рис. 2. Воздействие ультразвука на воду в ультразвуковой ванночке

В однородной среде ультразвук распространяется прямолинейно и равномерно; на границе двух сред он будет отражаться, преломляться и рассеиваться; а также будет затухать на определенной длине от источника и поглощаться средой, превращаясь в тепло. Также, колебания ультразвука могут вызывать резонанс, что является причиной повреждения кварцевых генераторов, частота которых близка к частоте колебаний ультразвука (а именно часовых кварцев с частотой 32,768 кГц). Тут же сразу хочется оговорится, что частота используемого в целях отмывки ультразвука лежит в области 25-45 кГц и никак не может вступать в резонанс с мегагерцовыми колебаниями, а все остальные резонаторы, за исключением часовых кварцев, работают именно в Мегагерцовом диапазоне). Т.е. те резонаторы, чья частота далека от 25-45 кГц никак не повреждаются ультразвуком, если конечно их корпус выдерживает отмывку (рис. 3).

Рис. 3. Воздействие ультразвука на резонаторы:
а) мегагерцевый резонатор не повреждается ультразвуком;
б) часовые кварцы могут повреждаться при использовании частоты ультразвука 35 кГц, но не будут повреждаться при 40 или 25 кГц

Встретив препятствие, ультразвук либо обогнет его (если размеры препятствия существенно меньше длины волны), либо отразится от препятствия (если размеры сопоставимы или больше длины волны). Для частоты 35 кГц длина волны УЗ волн в воде будет порядка 4.2 см (вычислено по формуле λ=с/f, при помощи данных о скорости УЗ в воде – 1480 м/с, взятых из [3]).Таким образом,от крупных компонентов, лежащих на дне ванне изделий и т.п., ультразвук будет отражаться, а вот мелкие загрязнения в растворе, и мелкие компоненты для волны препятствием являться не будут, т.е. очистка будет происходить и под ними. Также из вышенаписанного следует, что для обеспечения прохождения волны, изделия в ультразвуковую ванну следует помещать вертикально, причем категорически нельзя использовать корзины, дно которых закрыто, толщина сетки которых больше 5мм, а также нельзя класть платы параллельно излучателю (все это относится к большинству оборудования, у которого излучатели располагаются на дне ванны либо сам корпус является резонатором). Возможно, если класть изделия навалом на дно, то их помещается больше, возможно высота ванночки меньше высоты платы, но все это не отменяет того, что Вы таким образом вместо отмывки просто портите свою ванну (рис. 4).

Рис. 4. Помещение изделий в ультразвуковую ванну: а)
правильно; б) неправильно

В продолжение разговора о корзинах, надо добавить, что «правильная» корзина никогда не стоит на дне ванны, она стоит на ножках на высоте 15-30 мм над дном, причем так, чтобы ножки не попадали на излучатели. Нахождение посторонних предметов на излучателях вызывает избыточный шум, неправильную работу и в конечном итоге порчу излучателей.

Так что же происходит в УЗ ванне?Если говорить простыми словами, то под действием ультразвука частички жидкости двигаются вправо-влево, образуя разрывы, в которых пустота (вакуум), а также пары жидкости и области, где этот разрыв схлопывается с достаточно большой силой. Т. е. по ходу движения волны в первой фазе, фазе разрыва, жидкость расходится, а во второй фазе при схлопывании возникает локальное повышение давления и температуры. Такое явление называется «кавитация». Кавитационные пузырьки возникают преимущественно в граничных поверхностях между жидкостью и очищаемыми изделиями, так как дефекты поверхности и загрязнения в растворе способствуют разрыву жидкости. И собственно то механическое очищающее действие, которое оказывает ультразвук, осуществляется по большей части за счет этого явления, которое является механическим воздействием на очищаемое изделие. Надо понимать, что такое явление выражено тем сильнее, чем меньше частота (количество колебаний в единицу времени), так как размер пузырька с уменьшением длины волны и увеличением частоты будет сильно падать (он примерно равен 1/6πλ3 и значит, при уменьшении длины волны в 2 раза уменьшится в 8 раз).

Рис. 5. Фазы разрыва и схлопывания жидкости

Описанное явление кавитации происходит только при определенной мощности, которая зависит от частоты ультразвука и применяемой жидкости. Для воды в низкочастотном диапазоне при атмосферном давлении – это 300-1000 Вт/л. Сравнивая эти цифры, с цифрами из таблицы 1, можно сделать вывод, что при отмывке электроники кавитации не происходит. А что же еще нам дает эффективную отмывку?Как было отмечено выше – скорость ультразвука в воде 1480 м/с (1,5 км в секунду!!!) и если на пути его встречается препятствие, то при его огибании возникают акустические течения. Природа акустических течений объясняется законом сохранения импульса. Звуковая волна, проходящая через среду, несёт в себе импульс, который постепенно передаётся частицам среды, вызывая их упорядоченное движение. Такие течения способны «отколотить» препятствие, если оно плохо держится на поверхности и ускорить процесс растворения растворимых загрязнений на поверхности. Также свой вклад вносит звуковое давление, создающее периодические импульсы на границе отмывочной среды и препятствия.

Таблица 1

Рекомендуемые для очистки электроники частоты лежат в диапазоне 30-45 кГц (больше не эффективно, меньше слишком разрушительно). Стоит также отметить, что не желательно включать ультразвук совместно с барботажем, потому что иначе у нас вместо областей вакуума, будут области с воздухом, на сжатие которого будет тратится наша механическая энергия. Никакой нормальной очистки при этом происходить не будет, а вот перегрев жидкости гарантирован.

Очень часто в рекламе оборудования мы можем увидеть, что воздух в жидкости мешает работать ультразвуку, поэтому «покупайте у нас оборудование с функции дегазации». Гнаться за кнопкой Degas не надо,дегазация выполнится сама собой, если мы просто включим ванночку с ультразвуком минут на 10-20 до начала работы.

В стандарте IPC-СН-65 написано, что наибольшая эффективность ультразвука достигается в водных растворах и при температурах от 40 до 75 градусов. Но объяснения почему именно так, нет, хотя, на мой взгляд, это объяснение примитивно просто. Если вновь мы обратимся к рис. 5 и вспомним, что ультразвук вызывает колебания жидкости и в результате этих колебаний происходит образование и схлопывание полостей, то нам станет понятно, что наиболее легко раздвигаться и схлопываться будут наиболее плотные и наименее вязкие жидкости. А если обратится к справочникам, то можно увидеть, что наиболее плотной и наименее вязкой средой является вода и водные растворы. Для того, чтобы понять почему рекомендуют использовать ультразвук при температурах выше 45 мы посмотрим на рис 6. Как мы видим, после температуры 40 градусов, вязкость всех показанных на рисунке веществ падает и становится меньше 1.5 мПа/с, т. е. все растворители при такой температуре становятся маловязкими, а плотность их все еще достаточно велика. (Например для воды плотность при 20°С – 999,2 кг/м3, а при 50°С – 988 кг/м3).

Рис. 6. Зависимость вязкости веществ от температуры

Также коротко остановимся на мощности ультразвуковой ванны. Обратим внимание, что для разных объемов и разных генераторов мы видим разные цифры удельной мощности (таблица 1), причем видно, что тем больше объем ванны, тем меньше значение мощности в Вт/л, рекомендуемой для отмывки. Это связано с тем, что не вся энергия уходит на создание колебаний в жидкости, и чем больше ванна тем выше КПД передачи мощности в жидкость.

После того, как небольшой экскурс в физику явления мы сделали, надо бы ответить на вопрос: а что же мы реально можно повредить ультразвуком и как это проверить?

Следует сразу обозначить ряд элементов, которые могут быть повреждены при отмывке ультразвуком:

• реле за счет «залипания» контактов;
• предохранители в стеклянном корпусе;
• часовые кварцы, при использовании частоты 35 кГц;
• «советские» микросхемы в металлическом корпусе.

Что касается последних, то именно из-за них бытует мнение, что никакие микросхемы нельзя мыть в ультразвуке, но это совсем не соответствует действительности. Лет 40 назад «в те далекие времена, когда компьютеры были большими, а программы меленькими», микросхемы делались так: на подложку помещался кристалл, разваривали его золотыми проводками к «ногам» микросхемы и одевали металлический кожух.(рис. 7) Именно эти микросхемы боялись и продолжают бояться ультразвука, потому что вибрации ультразвука, передаваясь на корпус микросхемы повреждают эти самые тонкие золотые разварки, действуя на них, подобно пальцам гитариста на струны гитары.

Рис. 7. Разварка кристалла

Но с тех пор изменился не только размер компьютеров и программ для них, изменился и подход к корпусированию. Теперь большиснство схем, особенно импортного производства,заливается компаундом, делающим разварки неподвижными, а во многих микросхемах исчезли и разварки как таковые. Поэтому прежде чем начать бояться мыть микросхему в ультразвуке есть смысл внимательно посмотреть на нее и на ее даташит, в котором как правило есть раздел Cleaning – очень рекомендую читать этот раздел заранее, в нем бывает много неприятных неожиданностей, связанных отнюдь не только с ультразвуком. Если же у Вас остались сомнения, то в стандарте IPC-TM-650 тест 2.6.9.2. описана следующая процедура проверки: налить в УЗ ванну, работающую на частоте примерно 40 кГц и с мощностью УЗ как в таблице 1 деионизованную воду (причина использования воды, как тестовой жидкости уже обсуждалась выше), нагреть до 60°С, включить ультразвук на примерно 15 минут для дегазации жидкости, после чегов корзину положить статистически достоверное количество каждого типа микросхем, устойчивость которых к ультразвуку мы хотим проверить (не забываем, что один и два статистически достоверным количеством не является) и включить ультразвук.Время воздействия ультразвука выбирается как предполагаемое время воздействия в процессе отмывки х10 (т.е. если мы полагаем что время отмывки будет 5 минут, мы помещаем микросхемы в ванну с УЗ на 50 минут.

По окончании теста вынимаем микросхемы, сушим, осматриваем на предмет визуальных повреждений и проводим функциональный тест. По результатам этого теста и принимается решение о «мыть или не мыть».

Характеристики ультразвука

Частота. Она показывает число полных колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц) или кратных единицах килогерцах (1 кГц = 10³ Гц) и мегагерцах (1 МГц = 10³ кГц = 10⁶ Гц). В физиотерапии используется ультразвук определенных (фиксированных) частот: 880, 2640, 22,44 кГц и др. Частота колебаний (f) связана с длиной волны (λ) простым соотношением: λ = C/f, где С — скорость распространения ультразвуковых волн (м/с) в среде. Длина волны — расстояние между двумя смежными точками кривой (см. рисунок).
Сгущение и разрежение. Графическое изображение волн: λ — длина волны: А — амплитуда; Р — акустическое давление.

Важной физической характеристикой ультразвука является амплитуда волны, или амплитуда смещения. Она указывает на максимальное смещение (отклонение) колеблющихся частиц среды от положения равновесия. Чем выше амплитуда смещения, тем более глубоко будет распространяться ультразвук, и большие изменения будет вызывать в тканях.
Сила, или интенсивность, ультразвука – энергия, проходящая за 1 с через площадь в 1 см². В физиотерапии ее обычно выражают во внесистемных единицах — в Вт/см². С лечебно-профилактическими целями применяют ультразвук интенсивностью от 0,05 до 1,2 Вт/см². В соответствии с режимом работы генератора ультразвук может быть непрерывным или импульсным. Для характеристики последнего часто пользуются величиной скважности. Скважность — отношение периода следования импульсов к длительности импульсов. В отечественных аппаратах для ультразвуковой терапии период следования импульсов равен 20мс, а длительность импульса равна 2,4 и 10мс, а следовательно, скважность равна соответственно 10, 5 и 2. Важно помнить, что чем выше скважность, тем меньше нагрузочность на организм больного.
Скорость распространение
Ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с конечной скоростью, определяющейся упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость ультразвука в жидкостях и особенно в твердых телах значительно выше, чем в воздухе. В процессе распространения ультразвуковых волн в среде интенсивность ультразвука уменьшается по мере удаления от источника излучения. Ультразвуковые колебания распространяются от источника излучения в упругой среде благодаря силам взаимодействия между частицами. В гомогенной среде ультразвук расходится коническим пучком с углом отверстия, обратным частоте.

При распространении ультразвуковых волн возможны дифракция, интерференция и отражение. Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковых волн сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Отражение явление обратное дифракции и развивается если препятствие больше по сравнению с длиной акустической волны.

Интерференция общее название наложение волн друг на друга. Суперпозиция (наложение) этих волн возникает в определенной точке среды при одновременном движении в тканях нескольких ультразвуковых волн. Результат интерференции зависит от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Интерференция лежит в основе получения фокусированного ультразвука.

При гетерогенной структуре тканей возможно преломление и отражение ультразвука на границе сред с различными акустическими свойствами. Чем больше различаются среды по своему акустическому сопротивлению, тем сильнее будет преломление ультразвука при переходе из одной среды в другую.

Распространение ультразвука в биологических тканях сопровождается уменьшением его амплитуды вследствие поглощения. Поглощение ультразвуковых колебаний тканью при ее однородности зависит от частоты колебаний (оно пропорционально квадрату частоты), а также свойств ткани (плотности, вязкости). Чем вязкость выше, тем больше энергии колебаний затрачивается на преодоление сил сцепления между частицами среды и тем больше поглощается энергии, тем сильнее затухание ультразвука. Поглощение ультраакустической энергии и её рассеяние увеличиваются с ростом гетерогенности ткани. При патологических процессах поглощение ультразвука изменяется. В случае отека ткани коэффициент поглощения уменьшается, а при инфильтрации клеточными тканями — увеличивается. Принято считать, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 — на уровне микроскопических тканевых структур. Наименьшее поглощение имеют твердые тела, большее — жидкости и еще большее газы. Поэтому при высокой частоте ультразвуковые волны в воздухе практически не распространяются. Слой воздуха толщиной 0,01 мм уже является непреодолимым препятствием для ультразвука высокой (800-1000 кГц) частоты. Поглощение ультразвука обусловлено внутренним торможением, трением и соударением колеблющихся частиц среды.
Глубина проникновения ультразвука, как и его поглощение, зависит от частоты ультразвуковых колебаний и акустической плотности самих тканей. Обычно полагают, что в условиях целостного организма ультразвук частотой 800-1000 кГц распространяется на глубину 8-10 см, а при частоте 2500-3000 кГц на 1,0-3,0 см.

Ультразвуковой звук

Высокочастотный ультразвук в диапазоне 7–12 МГц используется для получения изображений с высоким разрешением артерий, которые расположены близко к поверхности тела, например сонных артерий. Используя номинальную скорость звука в ткани 1540 м / с, длину звуковой волны в ткани для звуковой волны 7 МГц можно получить из волнового соотношения v = fλ.

Использование общего принципа построения изображения, согласно которому вы не можете видеть ничего меньшего, чем длина волны, предполагает 0.Предел максимального разрешения 2 мм.

В дополнение к визуализации стенок артерий, ультразвуковые методы позволяют измерять скорость кровотока, используя эффект Доплера. Частота отраженного ультразвука смещена по частоте от частоты источника, и эту разницу в частоте можно точно измерить путем определения частоты биений между падающей и отраженной волнами. Частота сердечных сокращений прямо пропорциональна скорости кровотока, поэтому непрерывная запись частот биений в различных частях артерии дает вам изображение профиля скорости кровотока как функции времени.

Приведенные выше эскизы являются только концептуальными; не было предпринято никаких попыток точно масштабировать скорости и цвета. Но, надеюсь, он иллюстрирует использование изображений в ложных цветах, чтобы мгновенно увидеть распределение присутствующих скоростей. Нижняя часть рисунка содержит модулированный по интенсивности спектр мощности, в котором частота ударов и, следовательно, скорость крови отложены по вертикальной оси. Такие спектры создаются путем анализа отраженного ультразвука с использованием математического процесса, называемого быстрым преобразованием Фурье (БПФ), в котором извлекается распределение отраженной мощности как функция частоты.Это делается повторно, а результаты отображаются как функция времени (горизонтальная ось). Расстояние по вертикали от оси указывает частоту биений и, следовательно, скорость потока. Относительное количество энергии, отраженной при заданном значении скорости, указывается яркостью дисплея в этой точке. Одна единообразная скорость потока будет давать одну яркую линию, поэтому на дисплее отображается значительный диапазон скоростей, присутствующих в потоке в любое время. Обратите внимание, что во время пиков практически вся кровь имеет довольно высокую скорость, так как часть спектра около горизонтальной оси темная.

Буквально, приведенное выше изображение предполагает довольно равномерную скорость потока в поперечном сечении артерии. Но это не природа ожидаемого ламинарного потока, в котором ожидается профиль скорости с максимальной скоростью на центральной линии и падающей к нулевой скорости у стенок. Я предполагаю, что красный диапазон изображения в ложных цветах должен включать широкий диапазон низких скоростей.

Более высокая частота ультразвука, например 12 МГц, дает более короткую длину волны и, следовательно, более высокое разрешение, но это преимущество частично сводится на нет тем фактом, что более высокая частота больше ослабляется в ткани.Таким образом, необходимо делать выводы об относительных преимуществах более глубокого проникновения (низкая частота) по сравнению с более высоким разрешением (более высокая частота).

Источники ультразвука обычно представляют собой настроенные керамические пластины из такого материала, как PZT, которые возбуждаются путем приложения переменного напряжения с расчетной частотой. Напряжение вызывает механическую вибрацию за счет пьезоэлектрического эффекта.

Ультразвуковое сканирование позволяет обнаружить образование бляшек в артериях. Помимо прямого изображения суженного сосуда, доплеровская информация может быть преобразована в изображения в ложных цветах, которые определяют скорость потока.Поток в области препятствия должен иметь более высокую скорость для поддержания скорости потока, и эта информация о скорости является подтверждением сужения сосуда.

Учебное пособие по УЗИ

Учебное пособие по УЗИ

Дом

Введение в ультразвук

(Курс любезно предоставлен доктором Марией Хельгера)

1. Звук

2. Звук: частота и период

3. Звук: длина волны и скорость
   распространения

4. Звук: гармоники

5. Импульсный УЗИ

6. Амплитуда, интенсивность

7. Затухание

8. Импеданс

9. Косая проекция

10. Преломление

11. Спекл

Звук

Звук — это волна, т.е.е. путешествие
вариации некоторой величины (давления). Это связано с механическим движением
в среде, через которую он путешествует. Колебания давления вызывают появление частиц
среды вибрировать из-за увеличения и уменьшения плотности.

Звук: частота и период

Звук описывается терминами, которые
описать волны:

Частота: сколько циклов происходит
за одну секунду, измеряется в Герцах.(1 Гц = 1 / с). Человеческий слух: 20 Гц
до 20 000 Гц или 20 кГц. Ультразвук: выше 20 кГц. Частота важна
в ультразвуке из-за его влияния на разрешение и проникновение
сонографические изображения.

Период: время на одного
цикл произойти. Обратная частота? если частота увеличивается период
уменьшается. Например, период для ультразвука 5 МГц (5 миллионов герц)
равно 1/5, 000, 000 = 0.0000002 = 0,2 мкс. 1 мкс составляет 1 миллионную долю секунды
(0,000001 с). Период — важное понятие для импульсного ультразвука,
как мы увидим позже.

Звук: длина волны и скорость
распространения

Длина волны: длина пространства над
который происходит один цикл. Обычно выражается в миллиметрах. Один
миллиметр, 1 мм, составляет одну тысячную метра (0,001 м). Длина волны
важно при рассмотрении разрешения изображений.

Скорость распространения: Скорость, при которой
волна движется через среду. Измеряется в метрах в секунду или миллиметрах.
/ микросекунда.

Длина волны зависит от частоты
и скорость распространения:

Длина волны (мм) = распространение
Скорость (мм / микросекунда) / Частота (МГц)

Предыдущие отношения говорят, что
если частота увеличивается, длина волны уменьшается.

Скорость распространения зависит от
Средняя. В мягких тканях оно составляет в среднем 1540 м / с, или 1,54 мм / мкс.

Определение плотности и жесткости
скорость распространения. Плотность — это концентрация вещества (масса на единицу
объем агрегата: кг / м³). Твердость — это сопротивление материала сжатию.
(обратная сжимаемости). Твердость обычно является доминирующим фактором на
скорость распространения:

Газ -> низкая скорость распространения

Жидкость -> высшее распространение
скорость

Solid -> высшее распространение
скорость.

Скорость распространения изображения
инструменты используются для правильного определения эхосигналов на дисплее.

А-линия

Позиционная информация определена
зная направление импульса, входящего в пациента, и измерения
время, необходимое эхо-сигналу, чтобы вернуться к датчику. Уравнение диапазона:

В = 2д / т

Звук: гармоники

Это синусоидальные волны.Каждый
Кривая характеризуется единственной частотой (количеством циклов в секунду).

Исходная частота (черная линия)
— основная частота, четное (красный) и нечетное (зеленый) кратные
гармоники.

Сильные волны давления деформируются
-> генерация гармоник -> нелинейное распространение.

Улучшение эхо-сигнала гармонической частоты
качество сонографических изображений.

Импульсный УЗИ

Частота, период, длина волны и
скорости распространения достаточно для описания непрерывного (непрерывного) ультразвука.
Циклы повторяются бесконечно.

Сонография использует импульсный ультразвук,
то есть несколько циклов ультразвука, разделенных во времени с перерывами в отсутствии сигнала.

Нам нужно определить новые параметры:
частота следования импульсов, период следования импульсов, длительность импульса,
скважность, пространственная длительность импульса.

Частота следования импульсов (PRF):
Количество импульсов за 1 с. Обычно выражается в кГц.

Период повторения импульсов (PRP): время
от начала одного импульса до начала следующего. Обычно
выражается в микросекундах (мкс).

PRP уменьшается по мере увеличения PRF.
За секунду происходит больше импульсов, меньше времени от одного к другому.

PRF управляется автоматически
в сонографических инструментах, но оператор может управлять им в доплеровских инструментах
(подробнее об этом позже).

Длительность импульса: время, необходимое для
один импульс = период, умноженный на количество циклов в импульсе.
Выражается в мс.

Сонографические импульсы ~ 2-3 цикла
длинные, доплеровские импульсы длиной ~ 5-20 циклов. Длительность импульса уменьшается, если
количество циклов в импульсе уменьшается или если частота увеличивается.

Оператор выбирает частоту.

Примечание: частота увеличивается, период
уменьшается, уменьшение длительности импульса увеличивается

Количество циклов уменьшения пульса, пульса
продолжительность уменьшается.

Более короткие импульсы улучшают качество
изображений.

Коэффициент заполнения: доля времени,
импульсный УЗИ включен. Более длинные импульсы увеличивают коэффициент заполнения, поскольку
звук включен большую часть времени.

Более высокий коэффициент увеличения PRF
потому что между импульсами меньше «мертвого» времени.

Коэффициент заполнения = длительность импульса (микросекунды)
/ PRP (микросекунды)

Безразмерный, потому что это дробь.Выражается в виде десятичной дроби или в процентах при умножении на 100.

Пример: длительность импульса 4 мкс,
PRP составляет 160 мкс:

Коэффициент заполнения = 4/160 = 0,025 =
2,5%

Типичные коэффициенты заполнения для сонографии
составляют от ~ 0,1 до 1,0%. Для Доплера ~ 0,5-5,0%.

Примечание: PRF увеличивается, PRP уменьшается,
увеличивается коэффициент заполнения

Длина пространственного импульса: длина
импульс спереди назад = длина каждого цикла, умноженная на количество
циклы в пульсе.Более короткая длина импульса улучшает разрешение.

Амплитуда, интенсивность

Показатели силы или интенсивности
УЗИ есть.

Амплитуда — максимальное отклонение
происходящее в акустической переменной, т.е. как далеко уходит переменная
от его нормального, невозмущенного значения.

Амплитуда измеряется в единицах
давление: МПа (мегапаскали)

Интенсивность — это скорость, с которой энергия
проходит через единицу площади.

Средняя интенсивность звукового луча
— полная мощность в балке, деленная на площадь поперечного сечения
луч.

Примечание: балка
мощность увеличивается, интенсивность увеличивается. Луч
площадь уменьшается (фокусировка), интенсивность увеличивается

Мощность — это скорость, с которой энергия
переносится. Измеряется в ваттах.

Площадь луча выражена в см²

Следовательно, интенсивность измеряется
в мВт / см²

Интенсивность важна при обсуждении
биоэффекты и безопасность.Интенсивность пропорциональна квадрату
амплитуда. Таким образом, если амплитуда возводится в квадрат, интенсивность увеличивается в четыре раза.

Интенсивность варьируется при диагностическом УЗИ
потому что он самый высокий в центре луча и падает около
периферия.

Также меняется по направлению
путешествия из-за фокусировки и затухания.

В импульсном ультразвуке, интенсивность
меняется со временем: между импульсами он равен нулю и не равен 0 во время
каждый импульс.

Временной пик (TP) — самый большой
интенсивность в пульсе.

Среднее временное (TA) включает
«мертвое» время между импульсами. Это самое низкое значение.

Среднее значение пульса (PA) находится между
для данного импульсного пучка.

PA и TA связаны обязанностью
коэффициент:

Интенсивность ТА = интенсивность PA x
Коэффициент заполнения.

Примечание: если коэффициент заполнения увеличивается,
Интенсивность ТА увеличивается.

Если звук непрерывный, коэффициент заполнения
= 1, а интенсивности PA и TA равны друг другу.

В реальном оборудовании интенсивность
не является постоянным в пределах импульсов.

Начинается с высокого и уменьшается по направлению к
конец пульса. Затухающие импульсы.

ТА усредненное по повторению импульсов
период.

PA усредненное по длительности импульса

TP без усреднения.

Объединение пространственного и временного
соображений получаем 6 интенсивностей:

• Средне-пространственное среднее значение (SATA)
• Пространственное пиковое среднее значение (SPTA)
• Среднее пространственное значение импульса (SAPA)
• Пространственное среднее пиковое значение импульса (SPPA)
• Пространственный средневременной пик (SATP)
• Пространственный пик-временной пик (SPTP)

Так как SATA усредняет как в пространстве
а время — наименьшее значение.SPTP не среднее -> максимальное значение.

Затухание

Ослабление звука при его распространении.
Это ограничивает глубину изображения, и прибор должен это компенсировать.

Затухание включает поглощение (преобразование
нагревать), а также отражение и рассеяние звука при его встрече
тканевые интерфейсы.

Поглощение — главный фактор,
способствует затуханию.

Эхо от отражения и рассеяния
необходимы для создания изображения, но мало влияют на затухание.

Затухание выражается в децибелах
(дБ).

Коэффициент затухания (альфа) равен
затухание, которое происходит на каждом см прохождения звуковой волны. Чем дальше
звук распространяется тем больше затухание.

Децибел получается 10 раз
логарифм отношения двух интенсивностей.

Принять интенсивность 1 = 10 мВт / см² и
интенсивность2 = 0,01 мВт / см²

Примечание: если коэффициент затухания увеличивается,
затухание увеличивается. Если длина пути увеличивается, затухание увеличивается

Затухание увеличивается с увеличением
частота:

Затухание (дБ) = x частота (МГц)
x длина пути (см)

Затухание ограничивает глубину изображения
(проникновение).Примечание: если частота увеличивается
проникновение уменьшается

Частоты, используемые в диагностическом ультразвуке
диапазон от 2 до 15 МГц. Более низкие частоты используются для более глубокого проникновения.

Импеданс

Интенсивность отраженных эхосигналов и
передаваемый импульс зависит от интенсивности падающего на границе
и сопротивление средств массовой информации с обеих сторон.

Импеданс — это соотношение между
акустическое давление и скорость вибрации частиц.

Равно плотности среды, умноженной на
по скорости распространения. Единицы импеданса — рейлы.

Примечание: Плотность увеличивается, сопротивление
увеличивается

Скорость распространения увеличивается, сопротивление
увеличивается

Перпендикулярное падение. Сильные стороны
отраженных и прошедших импульсов определяются импедансами
двух сред на границе.

Коэффициент отражения по интенсивности:

Примечание: разница между импедансами
увеличивается, IRC уменьшается.

Коэффициент передачи интенсивности:

Примечание: IRC увеличивается, ITC уменьшается

Если импедансы равны,
нет эха, передаваемая интенсивность равна интенсивности падающего.

Если есть большая разница между
сопротивление, будет почти полное отражение, например, в воздушно-мягких
тканевый интерфейс. Вот почему гель используется в качестве связующей среды.
чтобы звук попал в тело.

Наклонное падение

Преломление

Изменение направления звука
при пересечении границы.Рефракция вызывает ошибки бокового положения на
изображение.

Практическое правило: если скорость увеличивается
1%, поскольку звук входит в среду 2, угол передачи будет на ~ 1% больше
этот угол падения.

При перпендикулярном падении — без преломления.
Если граница гладкая, отражения будут зеркальными.

Если отражающий объект размером с
длина волны или меньше, или если граница грубая, то падающий звук
будут разбросаны.

Интенсивность рассеяния света меняется в зависимости от
частота и размер рассеивателя. частота увеличивается, интенсивность увеличивается.

Спекл

Частотные диапазоны ультразвукового звука — Большая химическая энциклопедия

Легкодоступный частотный диапазон звуковых и ультразвуковых волн ограничивает диапазон применимости… [Pg.2123]

По сути, вся визуализация, от медицинского ультразвука до неразрушающего контроля, основана на том же подходе эхо-импульсного типа, но со значительно усовершенствованным электронным оборудованием. Усовершенствования позволяют оборудованию не только обнаруживать отражения звуковой волны от твердой металлической поверхности подводной лодки в воде, но и гораздо более тонкие изменения в средах, через которые проходит звук (например, между различными тканевыми структурами тела). Это высокочастотный ультразвук (в диапазоне от 2 до 10 МГц), который используется в основном в этом типе приложений, потому что с их помощью… [Стр.2]

Звуковые волны — это механические колебания твердого тела, жидкости или газа. Ультразвук то же самое, но с частотой выше диапазона, слышимого человеком (а именно от 1 Гц до 16 кГц). Самая низкая частота ультразвука обычно принимается равной 20 кГц (т.е. 20 000 циклов в секунду). Верхний предел частотного диапазона ограничен только возможностью генерировать сигналы с частотами в диапазоне гигагерц (более 1 миллиарда циклов в секунду), которые используются в некоторых приложениях.[Стр.44]

Ультразвук на частотах выше слышимого диапазона (т. Е. Выше примерно 20 кГц). [Pg.209]

Термин ультразвук описывает звуковые волны с частотным диапазоном от 16 кГц до нескольких мегагерц. Колебательные движения передаются колебательными устройствами в жидкость и вызывают волны давления. Это изменяющееся звуковое давление накладывается на статическое давление жидкости. Жидкости, как правило, способны … [Pg.193]

Ультразвук — это звук, расположенный выше частотной связи человеческого слуха.Это часть звукового спектра в диапазоне от 20 кГц до 10 МГц (длины волн от 10 до 10 см). Применение ультразвука в сочетании с химическими реакциями называется сонохимией. Диапазон от 20 кГц до 1 МГц используется в сонохимии, поскольку в этом диапазоне частот можно эффективно генерировать акустическую кавитацию в жидкостях. Однако обычное лабораторное и промышленное оборудование обычно использует диапазон от 20 до 40 кГц. [Pg.356]

Как мы видели, о пеногашении пен, приготовленных из разбавленных маловязких водных растворов поверхностно-активных веществ, сообщалось в основном с помощью ультразвука в частотном диапазоне 20-25.8 кГц. Единственное зарегистрированное исключение из этого касается чрезвычайно слабого эффекта, описанного Komarov et al. [60] в диапазоне частот 2-7 кГц. Если мы разумно игнорируем последнее, то мы можем использовать график скоростей звука для 0,99 [Pg.419]

. Эти электромеханические эффекты приводят к генерации звука в слышимом диапазоне частот до нескольких килогерц (8739). Высшие гармоники могут вызывать ультразвук (91). Следовательно, эти эффекты приводят к электроакустическому отклику, который можно использовать в таких приложениях, как динамики или наушники.Частотные характеристики и достижимая максимальная амплитуда колебаний — это два параметра, которые имеют решающее значение для применения этого материала в таких устройствах. Как уже упоминалось, оба очень сильно зависят от качества выравнивания Sc FLC-полимера, структуры слоя (шеврон, книжная полка или др.), Наличия зигзагообразных дефектов в образце и … [Стр.862 ]

Химические эффекты ультразвука не возникают в результате прямого взаимодействия с молекулами.Ультразвук охватывает частоты примерно от 15 кх3 до 1 Гх3. При скорости звука в жидких кристаллах обычно около 1500 м / с, длины акустических волн находятся в диапазоне примерно от 10 до 10 дюймов. Это не молекулярные размеры. Следовательно, никакая прямая связь акустического поля с химическими веществами на молекулярном уровне не может объяснить сонохимию или сонолюминесценция. [Pg.255]

Единица измерения — герц (с), что соответствует одному циклу в секунду Чистый тон состоит из одной частоты, но обычно все звуки представляют собой смесь многих частот.В звуковом диапазоне частота обычно изменяется от 20 Гц до 16000 Гц. Размер звукового диапазона зависит от чувствительности ушей слушателя. Когда частота ниже 20 Гц, это называется инфразвуком, а для частот выше 16000 Гц — ультразвуком. [Pg.791]

Новаторская работа по химическому применению ультразвука была проведена в 1920-х годах Ричардсом и Лумисом в их классическом обзоре воздействия высокочастотных звуковых волн на различные растворы, твердые тела и чистые жидкостиQ).Ультразвуковые волны обычно определяются как звуковые волны с частотой 20 кГц или выше. Человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам в диапазоне 1–5 кГц с верхним и нижним пределами 0,3 и 20 кГц соответственно. Краткое, но полезное общее изложение теории и приложений ультразвука было дано Кракнелом 1 (2). [Pg.213]

Первая область связана со звуком низкой амплитуды (более высокой частотой) и связана с физическим воздействием среды на волну и обычно упоминается как ультразвук низкой мощности или высокой частоты.Обычно волны с низкой амплитудой используются в аналитических целях для измерения скорости и коэффициента поглощения волны в среде в диапазоне от 2 до 10 МГц. Информация, полученная в результате таких измерений, может использоваться в медицинской визуализации, химическом анализе и изучении релаксационных явлений, и это будет рассмотрено позже. [Pg.4]

Потенциал сонохимии был определен более шестидесяти лет назад в обширной статье, озаглавленной «Физические и биологические эффекты высокочастотных звуковых волн большой интенсивности» [13].За несколько лет, последовавших за этой статьей, было проведено много новаторских работ в области сонохимии, и в результате этого были опубликованы два обзора по применению ультразвука в полимерных и химических процессах … [Стр.75]

Клиническое применение импульсного ультразвука низкой интенсивности и его потенциальная роль в урологии — Синь

Введение

Ультразвук традиционно широко используется в визуализационной медицине с целью медицинской диагностики.В 1927 году было впервые признано, что ультразвук вызывает длительные изменения в биологических системах (1), и это было началом исследований терапевтического ультразвука. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук (LIPUS) — это форма ультразвука, которая доставляется с гораздо меньшей интенсивностью (<3 Вт / см ² ), чем традиционный ультразвук с энергией и выходной мощностью в режиме пульсовой волны, и обычно используется для терапевтических целей. Назначение в реабилитационной медицине. Особенно в последние десятилетия было обнаружено, что LIPUS оказывает огромное биологическое воздействие на ткани, включая ускорение заживления переломов костей (2), ускорение регенерации мягких тканей (3,4), ингибирование воспалительных реакций (5) и т. Д. на.

LIPUS имеет минимальные тепловые эффекты из-за его низкой интенсивности и импульсного режима вывода, а его нетепловые эффекты, которые, как обычно утверждают, вызывают терапевтические изменения в тканях, привлекают внимание большинства исследователей (6). Однако лежащие в основе клеточные и молекулярные механизмы биологических эффектов LIPUS на человеческий организм остаются неясными и требуют изучения, что может быть в основном связано с усилением клеточной пролиферации и стимулированием многолинейной дифференцировки линий мезенхимных стволовых / клеток-предшественников посредством различных сигнальных путей. (3,7).Таким образом, LIPUS может стать эффективной клинической процедурой для лечения урологических заболеваний, таких как хронический простатит / синдром хронической тазовой боли (CP / CPPS), эректильная дисфункция (ED) и стрессовое недержание мочи (SUI) в области урологии.

Здесь мы, таким образом, рассматриваем текущие данные о клиническом применении LIPUS и его потенциальной роли в лечении урологических заболеваний, а также делаем краткое изложение его основных молекулярных механизмов в области реабилитационной медицины.

Физические характеристики УЗИ

Ультразвук — это форма механической энергии с волной акустического давления на частотах, выходящих за верхний предел обычного звукового диапазона человека, который составляет от 16 Гц до примерно 15–20 000 Гц (у детей и молодых людей) или также обычно известен. от 20 до 20 000 Гц. Ультразвук имеет важные физические характеристики, как показано в следующем описании.

Производство ультразвукового и современного оборудования

По сути, источник звука, синусоидально колеблющийся во времени и вперед и назад в пространстве вокруг своего исходного положения, приводит к генерации звуковой волны.Когда частота вибрации выше обычного слышимого человеком диапазона, этот тип звуковой волны называется ультразвуковой. На практике простой источник звука часто представляет собой керамический диск круглой формы, который проявляет пьезоэлектрический эффект и имеет радиус конечного размера (8).

Типичное оборудование для ультразвуковой терапии предлагает выбор рабочей частоты 1 или 3 МГц, в то время как звуковая волна LIPUS генерируется почти исключительно на частоте 1,5 МГц (9). В настоящее время почти все устройства на рынке предлагают LIPUS на этой частоте, хотя некоторые устройства также предлагают 0.Вариант 75 МГц, который будет эффективен при более глубоких поражениях. В последнее время LIPUS на частотах 1,7 МГц использовался для улучшения эректильной функции в ткани полового члена у крыс с ЭД, индуцированным STZ-индуцированным диабетом I типа. В настоящее время неизвестно, эффективны ли другие частоты, менее эффективны или, возможно, более эффективны.

Основные понятия об УЗИ

Ультразвуковые волны

Ультразвуковые волны — это разновидности звуковых волн с частотами выше 20 000 Гц.У ультразвуковых волн обычно есть три характеристики: частота, длина волны и скорость. Частота — это количество раз, когда частица испытывает полный цикл сжатия и разрежения за одну секунду. В настоящее время терапевтические ультразвуковые устройства обычно работают на частоте 1 или 3 МГц, а устройства LIPUS обычно работают на частоте 1,5 МГц (9). Длина волны — это расстояние между двумя эквивалентными точками формы волны в определенной среде. Длина волны обычно составляет около 1,5 мм при 1 МГц или 0,5 мм при 3 МГц в средней ткани человеческого тела.Скорость — это скорость, с которой волна распространяется через среду. Скорость ультразвука в воздухе составляет примерно 350 м / с, и в более плотной среде он может распространяться быстрее.

Ультразвуковой луч

Поскольку ультразвуковой луч выходит из лечебной головки терапевтического ультразвукового устройства, энергия внутри луча не равна в пространстве, у него есть области большей и области меньшей интенсивности (10). Ультразвуковой луч, ближайший к лечебной головке, называется ближним полем (или зоной Френцеля), где энергия ультразвука в этой части поля может во много раз превышать среднюю энергию луча.За внешней границей ближнего поля находится дальнее поле (или зона Фраунгофера), где ультразвуковой луч более однороден и слегка расходится. Дальнее поле обычно не используется в терапевтических целях. Коэффициент неоднородности луча (BNR) — это численное отношение пиков интенсивности к средней интенсивности луча ближнего поля; он указывает на качество ультразвуковых аппликаторов. Для большинства аппликаторов BNR составляет приблизительно 4–6, а теоретическое наилучшее значение BNR бесконечно близко к числу 1.

Интенсивность ультразвука

Обычно при интенсивности 0,05–0,50 Вт / см ² ультразвук широко используется в визуальной медицине (11). При интенсивности 0,03–1000 Вт / см ² обычно используются и исследуются хирургические и терапевтические преимущества ультразвука (9). Благодаря обзору литературы, в зависимости от интенсивности воздействия терапевтический ультразвук можно разделить на две группы: ультразвук низкой интенсивности (<3 Вт / см ² ) и ультразвук высокой интенсивности (≥3 Вт / см ² ).Дозировку низкоинтенсивного ультразвука можно разделить на три группы: низкая доза (<1 Вт / см ² ), средняя доза (1-2 Вт / см ² ) и высокая доза (2-3 Вт / см). / см ² ). При обычном клиническом применении интенсивность применяемого ультразвука составляет примерно 0,03–1,0 Вт / см ² (12,13).

Частота ультразвука

Кроме того, ультразвуковые волны можно разделить на три диапазона в зависимости от частоты ультразвука: ультразвук высокой частоты (1–20 МГц), используемый в медицинской диагностике, ультразвук средней частоты (0.7–3,0 МГц), используемый в терапевтической медицине, и низкочастотный (НЧ) ультразвук (20–200 кГц), используемый в промышленных и терапевтических целях (14). НЧ ультразвук — это особый вид медицинского ультразвука в диапазоне частот кГц с его верхними предельными частотами ниже 1 МГц, частота которого в основном находится в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц (14). Конечно, ультразвук LF можно разделить на две группы: ультразвук LF низкой интенсивности и ультразвук LF высокой интенсивности. Обычно низкоинтенсивный ультразвук LF применяется в области улучшения доставки лекарств (15), а сфокусированный ультразвук высокой интенсивности (HIFU) применяется в области абляции рака и паллиативного лечения (16-19).Классификация и применение ультразвуковых волн в зависимости от интенсивности или частоты ультразвука обобщены в таблице .

Таблица 1 Классификация и применение ультразвуковых волн
Полная таблица

Ультразвук импульсный

Ультразвук может выводиться в режиме пульсовой волны, и для многих клиницистов это предпочтительный режим лечения (20). Типичные отношения длительности импульса к времени покоя импульса составляют 1: 1 и 1: 4, хотя доступны и другие соотношения.Пропорция времени, в течение которого аппарат находится во включенном состоянии по сравнению с выключенным, является важным фактором при расчетах дозировки ультразвуковых волн. Частота импульсов — это количество ультразвуковых импульсов, подаваемых аппаратом за одну секунду. В настоящее время типичными частотами импульсных аппаратов являются 100 и 1000 Гц, и нет никаких доказательств того, что какая частота имеет какое-либо клиническое преимущество перед другой. Кроме того, современные импульсные ультразвуковые аппараты обычно доставляют ультразвуковые импульсы с частотой 20% (1: 4) и 1000 Гц (1 кГц), то есть 200 мкс ультразвука и 800 мкс без ультразвука за 1000 циклов в секунду (20).

Импульсный ультразвук низкой интенсивности (LIPUS)

LIPUS — это явно форма ультразвука средней частоты (0,7–3 МГц), который выводится в режиме пульсовой волны (100 и 1000 Гц) и доставляется с гораздо меньшей интенсивностью (<3 Вт / см ² ), чем традиционный ультразвук. энергия. Как упоминалось во введении, плотность мощности LIPUS, используемого для заживления переломов, намного ниже, чем у традиционных методов лечения ультразвуком. Почти все исследователи LIPUS использовали звуковую волну с интенсивностью 0.03 Вт / см ² (или 30 мВт / см ² ), соотношение импульсов 1: 4 при 1000 Гц и частота 1,5 МГц в их исследованиях (10).

Терапевтические механизмы LIPUS

Существует два типа механизмов, которые обычно используются для объяснения эффектов, производимых терапевтическим ультразвуком: тепловые эффекты и нетепловые эффекты (21). Однако лежащие в основе клеточные и молекулярные механизмы биологических эффектов LIPUS на организм человека остаются неясными и требуют исследования, что может быть в основном связано с усилением клеточной пролиферации за счет активации рецепторов интегрина и пути передачи сигналов Rho / ROCK / Src / ERK. (3), и способствуя многолинейной дифференцировке линий мезенхимных стволовых / клеток-предшественников через сигнальный путь ROCK-Cot / Tpl2-MEK-ERK (7).Исследователям фундаментальных наук и клиническим исследованиям по-прежнему требуются интенсивные усилия для изучения биомедицинских приложений ультразвука.

Биофизические эффекты терапевтического ультразвука

Считается, что существует два типа механизмов, которые обычно используются для объяснения эффектов, производимых терапевтическим ультразвуком, и биофизические эффекты терапевтического ультразвука обычно делятся на две стороны: тепловые и нетепловые (21). LIPUS имеет минимальные тепловые эффекты из-за его низкой интенсивности и импульсного режима вывода, а его нетепловые эффекты, которые, как обычно утверждают, вызывают терапевтические изменения в тканях, привлекают внимание большинства исследователей (6).Однако было бы слишком упрощенно предполагать, что при конкретном применении обработки будут либо тепловые, либо нетепловые эффекты, почти неизбежно, что оба эффекта будут происходить одновременно.

Тепловые эффекты

Энергия, переносимая ультразвуковым лучом, ослабляется при прохождении через ткани, энергия, рассеянная из луча, может поглощаться в другом месте ткани. Поскольку энергия звуковой волны передается в ткани, она вызывает колебания частиц (10).Увеличение молекулярной вибрации в ткани может привести к выделению тепла, а затем ультразвук может вызвать тепловые изменения в тканях.

Скорость повышения температуры связана с ослаблением интенсивности, плотностью ткани и ее теплоемкостью (13). Например, скорость повышения температуры печени, подвергнутой ультразвуку 3 МГц с интенсивностью 1 Вт / см ² 0,140 ° C / с или ультразвуку 1 МГц при той же интенсивности 0,048 ° C / с (13) .Коллагеновые ткани, надкостница и фиброзная мышца являются наиболее нагретыми тканями в организме человека, поэтому эти органы могут лечиться в первую очередь у физиотерапевта (22). Обычно считается, что температура выше 42,0 ° C токсична для клеток, тогда как температура ниже 41,8 ° C считается полезной для облегчения боли, изменения кровотока и уменьшения мышечного спазма (23).

Нетепловые эффекты

Но в настоящее время ультразвуковая терапия фокусируется не только на тепловых изменениях.Кроме того, колебания молекулярных частиц ткани имеют эффекты, которые обычно считаются нетепловыми по своей природе. В настоящее время нетепловые эффекты терапевтического ультразвука обычно рассматриваются как комбинация кавитации, акустического потока и микромассажа (9,13,21).

Кавитация — это способность ультразвука образовывать заполненные газом пустоты в тканях или жидкостях, которая имеет два типа: стабильная кавитация и нестабильная кавитация. Стабильная кавитация возникает при терапевтических дозах ультразвука, и для достижения максимального размера пузырьков газа требуется 1000 циклов, в то время как нестабильная кавитация обычно возникает при HIFU, которая имеет очень высокую интенсивность (≥1000 Вт / см ² ), которая может вызвать мгновенный некроз ткани с его пузырьки газа быстро схлопываются, высвобождая большое количество энергии.Акустический поток — это мелкомасштабное завихрение жидкости около вибрирующей структуры, которое может влиять на скорость диффузии и проницаемость мембраны, что приводит к изменению процесса синтеза белка и клеточной секреции (10). Микромассаж — это эффект вибрации молекул при прохождении звуковой волны через среду, что может повлиять на обмен тканевой жидкости и подвижность тканей. Короче говоря, стабильная кавитация и акустическое течение в основном способствуют нетепловым эффектам при применении LIPUS.

Биологические механизмы эффектов LIPUS

Недавние исследования показали, что эффекты LIPUS на заживление патологических тканей тела могут быть в основном связаны с усилением клеточной пролиферации за счет активации рецепторов интегрина и сигнального пути Rho / ROCK / Src / ERK (3), а также со стимулированием многолинейной дифференцировки ствола мезенхимы. / клеточные линии-предшественники через сигнальный путь ROCK-Cot / Tpl2-MEK-ERK (7).

LIPUS способствует пролиферации клеток

В 2004 г. Чжоу и др. .изучили влияние LIPUS на пролиферацию первичных фибробластов крайней плоти человека и лежащие в основе механизмы передачи сигналов и пришли к выводу, что LIPUS способствует пролиферации клеток за счет активации рецепторов интегрина и пути передачи сигналов Rho / ROCK / Src / ERK (3). В их исследовании было обнаружено, что клетки фибробластов имеют увеличение общего числа клеток и увеличение включения бромдезоксиуридина после стимуляции LIPUS, а LIPUS может индуцировать формирование стрессовых волокон и очаговой адгезии через активацию Rho.Кроме того, они обнаружили, что LIPUS избирательно индуцирует активацию киназы, регулируемой внеклеточными сигналами (ERK) 1/2, а ингибирование Rho-ассоциированной спиралевидной протеинкиназы (ROCK) предотвращает LIPUS-индуцированную активацию ERK1 / 2. Это указывает на то, что путь Rho / ROCK является вышестоящим регулятором активации ERK в ответ на LIPUS. Более того, активация ROCK и MEK-1 требовалась для LIPUS-индуцированного синтеза ДНК, который можно предотвратить с помощью антитела, блокирующего интегрин β1, а также пептида RGD.Кроме того, фосфорилирование Src по Tyr (416) было немного увеличено, и активность Src была необходима для активации ERK1 / 2 пролиферации клеток в ответ на LIPUS.

LIPUS на активацию и дифференцировку стволовых клеток / клеток-предшественников

В 2013 году, Lv и др. . исследовали роль LIPUS на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках стволовых клеток нервного гребня (ИПСК-NCSC) (24). Результаты показали, что LIPUS при 500 мВт / см ² может повышать жизнеспособность и пролиферацию ИПСК-NCSC через 2 дня, а также повышать экспрессию генов и белков NF-M, Tuj1, S100beta и GFAP в ИПСК-NCSC через 4 дня. дней, тогда как через 7 дней наблюдалась повышенная экспрессия только NF-M, S100beta и GFAP.Лечение LIPUS с соответствующей интенсивностью может быть эффективным и рентабельным методом повышения жизнеспособности, пролиферации и нейронной дифференцировки ИПСК-NCSC in vitro для инженерии периферической нервной ткани. В 2015 году та же исследовательская группа проверила влияние комбинации LIPUS и ИПСК-NCSC на регенерацию пересеченного седалищного нерва крысы in vivo (25). Они обнаружили, что лечение 0,3 Вт / см ² LIPUS в течение 2 недель и 5 минут в день может значительно улучшить функциональный индекс седалищного нерва, статический индекс седалищной функции и скорость нервной проводимости седалищного нерва крысы, и что было больше регенеративной новой крови. сосуды и новые нейрофиламенты, более высокий уровень экспрессии бета-III тубулина (Tuj1) в экспериментальной группе, засеянной иПСК-NCSC и стимулированной LIPUS.Было высказано предположение, что комбинация LIPUS с iPSCs-NCSCs может способствовать регенерации и реконструкции перерезанного седалищного нерва крысы и является эффективным методом регенерации периферических нервов.

В 2014 г. Кусуяма и др. . обнаружено, что LIPUS может влиять на многолинейную дифференцировку мезенхимальных стволовых и предшественников клеточных линий через сигнальный путь ROCK-Cot / Tpl2-MEK-ERK (7). В их исследовании LIPUS был применен к линиям адипогенных клеток-предшественников и мезенхимальных стволовых клеток (MSC), чтобы проанализировать, как это повлияло на многолинейную дифференцировку клеток.Результаты показали, что адипогенная дифференцировка обоих типов клеток подавлялась LIPUS и выражалась в нарушении внешнего вида липидных капель, а также рецептора, активируемого пролифератором пероксисом, гамма-2 ( Pparg2 ) и белка, связывающего жирные кислоты 4 ( Fabp4 ) ген выражение были уменьшены. Напротив, LIPUS может способствовать дифференцировке линий МСК в остеогенные клетки за счет индукции экспрессии связанного с runt фактора транскрипции 2 (Runx2) и мРНК остеокальцина, а также за счет увеличения кальцификации клеток.LIPUS может также индуцировать экспрессию фосфорилирования онкогена щитовидной железы Осаки / локуса прогрессирования опухоли 2 (Cot / Tpl2) киназы рака, который играет важную роль в процессе фосфорилирования митоген-активированной киназы 1 (MEK1) и внеклеточного сигнала p44 / p42, регулируемого киназы (ERK), тогда как вышеуказанный процесс можно предотвратить с помощью Cot / Tpl2-специфического ингибитора и ослабить путем ингибирования Rho-ассоциированной киназы. Короче говоря, LIPUS подавляет адипогенез и способствует остеогенезу МСК посредством Rho-ассоциированного пути передачи сигналов киназа-Cot / Tpl2-MEK-ERK (7).

Возможные гены, на которые влияет LIPUS

В обзоре клинических данных и связанного с ними биологического механизма LIPUS для заживления переломов (26) Паундер и Харрисон указали, что ускоренная минерализация связана с увеличением экспрессии остеокальцина, щелочной фосфатазы, VEGF и MMP-13. Интегрины и их нижестоящие многочисленные сигнальные пути, включая пути киназ ERK, NF-kB и PI3, также активируются ультразвуком в процессе заживления перелома, что напрямую связано с выработкой ключевых факторов, участвующих в процессах минерализации. и эндохондральная оссификация (26).В исследовании, проведенном Rutten et al . в 2009 г. (27) остеогенные клетки были идентифицированы путем иммунолокализации белка RUNX2 у пациентов с отсроченным сращением остеотомированной малоберцовой кости, и результаты показали, что LIPUS не увеличивает присутствие остеогенных клеток, а скорее всего влияет на дифференцировку остеогенных клеток. Кумагаи и др. . обнаружили, что LIPUS может индуцировать возвращение циркулирующих остеогенных предшественников к месту перелома с использованием модели животных с парабиотиками (28), которые были сформированы путем хирургического соединения мыши с зеленым флуоресцентным белком (GFP) и сингенной мыши дикого типа.Кроме того, пути передачи сигналов MAPK и других киназ, межклеточная коммуникация щелевых соединений, повышающая регуляция и кластеризация интегринов, участие путей циклооксигеназы-2 (COX-2) / PGE2, iNOS / NO и активация механорецептора ATI также связаны с биологические реакции процессов заживления переломов костей при лечении LIPUS (29).

Текущее клиническое применение LIPUS

В последние годы было обнаружено, что LIPUS оказывает широкий спектр биологических эффектов на ткани и находит широкое применение в области терапевтической медицины, например, способствует заживлению переломов костей (2), ускоряет регенерацию мягких тканей ( 4), подавление воспалительных реакций (5) и т. Д.Итак, здесь представлен обзор текущих применений LIPUS в медицинской деятельности реабилитационной медицины. Тем не менее, для этого относительно нового приложения есть много проблем, и достижения с его использованием обещают выйти далеко за рамки нынешних возможностей.

Терапевтические дозировки LIPUS

Интенсивность ультразвука LIPUS намного ниже, чем у обычно используемого традиционного ультразвукового излучения, интенсивность LIPUS относится к подгруппе низких доз (<1 Вт / см ² ) в пределах низкоинтенсивного ультразвука (<3 Вт / см ² ) группа.Наиболее часто используемые параметры LIPUS: интенсивность 0,03 Вт / см ² (или 30 мВт / см ² ), соотношение импульсов 1: 4 при 1000 Гц и частота 1,5 МГц (10). Более того, для регулярного терапевтического применения интенсивность LIPUS может составлять примерно 0,03–1,00 Вт / см ² (12,13). Плотность энергии (в Дж / см ² ) LIPUS может быть рассчитана как интенсивность ультразвука (в Вт / см ² ) × время (в секундах). Таким образом, поскольку время применения LIPUS составляет от 2 до 20 минут и диапазон интенсивности LIPUS, упомянутый выше, обычно применяемая доза плотности энергии LIPUS аналогичным образом колеблется в диапазоне примерно 2–150 Дж / см ² (30).

Лечебно-лечебные процедуры

Когда лечение было выполнено, ткани-мишени должны быть помещены в подходящее положение с местной анестезией или без анестезии, а головка ультразвукового зонда обычно подвешивается на шарнирном рычаге для гибкого движения. Применяемые места, продолжительность лечения и циклы лечения выбираются в зависимости от типа оборудования и применения при заболевании.

Для терапевтических целей жизненно важно полностью передать энергию в ткани человека.Итак, используется ряд методов, чтобы передать звук в ткань. Водный гель можно использовать между головкой источника и тканевой кожей, когда поверхность ткани относительно плоская, а головка зонда плоская. В противном случае вода может обеспечить лучшую связующую среду для тканей сложной формы. Кроме того, важно, чтобы связующее было дегазировано, чтобы предотвратить возникновение кавитации.

Клиническое применение LIPUS

В настоящее время считается, что LIPUS способствует заживлению переломов костей (2), ускоряет регенерацию мягких тканей (4) и подавляет воспалительные реакции (5).Кроме того, он стал инструментом для улучшения регенерации и тканевой инженерии, например, для использования в оральной и челюстно-лицевой областях (31).

Заживление переломов костей

Корради и Коццолино впервые сообщили в 1952 году, что непрерывный ультразвук может стимулировать образование костной мозоли в модели кролика с лучевым переломом, и в следующем году той же исследовательской группой было доказано, что ультразвуковая волна безопасна и может вызвать увеличение костной мозоли. в надкостничной мозоли у восьми пациентов, и это первое свидетельство применения ультразвуковой волны для лечения переломов (32).

В 1994 и 1997 годах Хекман и Кристиансен провели два тщательных проспективных рандомизированных двойных слепых плацебо-контролируемых клинических испытания и обнаружили, что скорость заживления свежих переломов ускоряется неинвазивным LIPUS (33,34). В первом испытании проверялась эффективность ультразвука при закрытых или открытых переломах I степени большеберцовой диафрагмы, а во втором испытании проверялась эффективность ультразвука при переломах с дорсальным углом (отрицательный ладонный угол) дистальной части лучевой кости.Пациентам в обоих исследованиях было наложено ультразвуковое стимулирующее устройство 30 мВт / см ² ежедневно в течение 20 минут дома в течение 10 недель в качестве дополнения к традиционным манипуляциям с применением гипсовой повязки. Результаты показали, что специфический ультразвук ускоряет заживление переломов и уменьшает потерю репозиции во время заживления переломов, и не было серьезных осложнений, связанных с использованием ультразвукового устройства. Эти два клинических испытания в первую очередь способствовали тому, что Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило использование низкоинтенсивного ультразвука для ускоренного заживления свежих переломов в 1994 г. и для лечения установленных несращений в 2000 г. (32).

В метаанализе шести рандомизированных контролируемых испытаний (РКИ), проведенных Busse et al . в 2002 г. (35) было обнаружено, что LIPUS оказывает значительное влияние на сокращение времени до заживления переломов при неоперационном лечении, результаты показали, что время заживления переломов было значительно короче в группах низкоинтенсивной ультразвуковой терапии, чем в контрольных группах. В обзоре клинических данных о LIPUS для заживления переломов в 2008 г. (26) Паундер и Харрисон обнаружили, что обычно широко используется LIPUS (1.Ультразвук 5 МГц, импульсный с частотой 1 кГц, рабочий цикл 20%, 30 мВт / см ( ² интенсивность) может ускорить время заживления до 40% при свежих переломах большеберцовой кости, лучевой кости и ладьевидной кости, и было показано, что он эффективен при разрешение всех типов несращений всех возрастов. В обзоре по поиску доказательств LIPUS для in vitro , заживления переломов у животных и человека в 2011 году (36), Martinez de Albornoz et al . согласились с тем, что LIPUS может оказывать значительное остеоиндуктивное действие, ускорять процесс заживления и улучшать прочность на изгиб костей in vitro, и исследования на животных.В когортном исследовании с участием 4190 пациентов, получавших LIPUS, проведенного Zura et al . В 2015 году было обнаружено, что пожилые пациенты (≥60 лет) с факторами риска переломов, получавшие LIPUS, демонстрировали те же показатели выздоровления, что и население в целом (37).

Но все еще оставались споры о влиянии LIPUS на свежие, стрессовые переломы и удлинение конечностей в испытаниях на людях. В систематическом обзоре и метаанализе семи клинических испытаний свежих переломов на людях в 2012 г. (20) Bashardoust Tajali et al .обнаружили, что время третьего кортикального мостика (увеличение плотности или размера начальной периостальной реакции) при рентгенографическом заживлении было статистически более ранним после терапии LIPUS при свежих переломах, но было мало исследований, посвященных положительному влиянию LIPUS на отсроченные сращения и несращения. . Кроме того, LIPUS может не иметь потенциально благоприятных эффектов для лечения острых переломов у взрослых, и в будущих исследованиях следует регистрировать функциональные результаты и последующее наблюдение всех участников клинической практики (38).

Регенерация мягких тканей

Цели воздействия LIPUS на регенерацию мягких тканей охватывают широкий спектр клеток и органов, включая фибробласты (3), миобласты (39), эпителиальные клетки (4), хондроциты и хрящи (40-45), межпозвоночные диски. (МПД) (46,47), связки (48-51) и сухожилия (52,53).

В 2004 г. Чжоу и др. . изучили влияние ежедневного применения LIPUS на пролиферацию первичных фибробластов крайней плоти человека (3).В их исследовании было обнаружено, что в клетках фибробластов наблюдается увеличение общего числа клеток и увеличение включения бромдезоксиуридина после LIPUS (ультразвуковая волна 1,5 МГц, импульс 200 мкс, модулированный на частоте 1 кГц, с выходной интенсивностью 30 мВт / см ² ), а LIPUS может вызывать образование стрессовых волокон и очаговой адгезии. Они пришли к выводу, что LIPUS способствует пролиферации клеток посредством активации рецепторов интегрина и пути передачи сигналов Rho / ROCK / Src / ERK.

Икеда и др. .исследовали влияние LIPUS на дифференцировку клетки C2C12, которая является субклоном миобластов C2, первоначально выделенных из бедренной мышцы мыши C3H (39). В своем исследовании они обнаружили, что экспрессия мРНК Runx2, Msx2, Dlx5, AJ18 и Sox9 увеличивалась при стимуляции LIPUS (1,5 МГц при интенсивности 70 мВт / см ² в течение 20 минут), тогда как экспрессия MyoD , C / EBP и PPARγ было снижено. А стимуляция LIPUS увеличивала экспрессию белка Runx2 и фосфорилирование ERK1 / 2 и p38 MAPK.Они пришли к выводу, что стимуляция LIPUS преобразует путь дифференцировки клеток C2C12 в клон остеобластов и / или хондробластов посредством активированного фосфорилирования ERK1 / 2 и p38 MAPK.

Икаи и др. . оценили влияние LIPUS на заживление ран в тканях пародонта после операции на слизисто-надкостничном лоскуте у гончих собак (4). После лечения LIPUS (импульсная синусоидальная волна длительностью 200 мкс 1,5 МГц, повторяемая с частотой 1,0 кГц, 30 мВт / см ² , ежедневно в течение 20 минут в течение 4 недель) уровень экспрессии белка теплового шока 70 (HSP70) был выше в эпителиальных клетках десны зуба, обработанного LIPUS, и процессы регенерации как цемента, так и нижней челюсти были ускорены.Они пришли к выводу, что ультразвук может ускорить заживление ран пародонта и восстановление костей.

В 2002 г. Нишикори и др. . обнаружили, что воздействие LIPUS (1,5 МГц с импульсом тонального сигнала 200 мкс, повторяемым с частотой 1,0 кГц, 30 мВт / см ² , 20 минут в день) может способствовать синтезу хондроитинсульфата, особенно хондроитин-6-сульфата, хотя оно существенно не усиливает количество ячеек и жесткость (40). В исследованиях клеток in vitro было показано, что LIPUS влияет на стимуляцию пролиферации хондроцитов и выработку матрикса (41-43).Потенциальные механизмы воздействия LIPUS на хондроциты могут быть связаны с активацией пути MAPK / Erk и увеличением соотношения анаболический фактор (TIMP-1) / катаболический фактор (MMP-3) (44,45).

LIPUS также может оказывать влияние на лечение грыжи межпозвоночного диска и замедление прогрессирования дегенерации диска. В 2008 году Оми и др. . обнаружили, что стимуляция LIPUS может значительно активировать TIMP-1 и хемоаттрактантный белок-1 моноцитов (MCP-1) в клетках пульпозного ядра и макрофагах как на уровне белка, так и на уровне гена (46).А в 2009 году Кобаяши и др. . обнаружили, что LIPUS может активировать пролиферацию клеток и синтез протеогликанов в клетках пульпозного ядра человека посредством усиления нескольких генов, связанных с матриксом (47).

Такакура и др. . обнаружили, что LIPUS (30 мВт / см ² , 20 минут в день) эффективен для ускорения раннего заживления повреждений медиальной коллатеральной связки у крыс в 2002 г. (48). И Уорден и др. . обнаружили, что LIPUS может ускорять заживление связок в контролируемом лабораторном исследовании на взрослых крысах (49).В недавно опубликованной статье Ху и др. . обнаружили, что LIPUS может способствовать остеогенной дифференцировке в клетках периодонтальной связки человека, лежащий в основе механизм может быть связан с активацией Runx2 и интегрина бета1 (50) и, таким образом, участвует в передаче сигналов пути MAPK p38 (51).

Кроме того, заживление костей и сухожилий также может быть ускорено при лечении LIPUS, как в модели частичной пателлэктомии у кроликов (52), так и в модели вращательной манжеты, эквивалентной чрескостному суставу овцы (53).

Подавление воспалительных реакций

Во время травмы или формирования ревматоидного артрита (РА) и остеоартрита (ОА) воспалительный процесс играет важную роль в этом прогрессировании (54). Недавние исследования показали, что LIPUS может подавлять воспалительные реакции как in vitro , так и in vivo .

В 2014 г. Накао и др. . сообщили, что LIPUS может ингибировать LPS-индуцированные воспалительные реакции остеобластов посредством диссоциации TLR4-MyD88 (5).В их исследовании LPS индуцировал экспрессию мРНК нескольких хемокинов, включая CCL2, CXCL1 и CXCL10, как в линии клеток остеобластов мыши (MC3T3-E1), так и в остеобластах, полученных из свода черепа (от новорожденных мышей C57BL / 6). После обработки LIPUS (1,5 МГц, 200 мкс всплеска синусоидальных волн на 1,0 кГц, 30 мВт / см ² ) индукция мРНК CXCL1 и CXCL10 была значительно подавлена, и индуцированное LPS фосфорилирование ERK, киназ p38, MEK1 / 2 , MKK3 / 6, IKKs, TBK1 и Akt были уменьшены. LIPUS подавлял активацию транскрипции NF-kB-чувствительного элемента и интерферон-чувствительного ответного элемента (ISRE) с помощью LPS, а LIPUS значительно ингибировал образование комплекса TLR4-MyD88 в эксперименте по временной трансфекции.И Накамура и др. . исследовали влияние LIPUS на подавление воспалительных реакций in vitro в линии клеток синовиальной мембраны коленного сустава кролика (HIG-82), которые культивировали в среде с или без IL-1β или TNF-α (55). Параметры LIPUS, которые они использовали в своем исследовании, были следующими: 15 минут однократного воздействия LIPUS, 3 МГц со средней пространственной интенсивностью 30 мВт / см ² и импульсный 1: 4 (2 мс включено и 8 мс выключено). Провоспалительные цитокины значительно усиливали пролиферацию клеток, а LIPUS мог значительно подавлять это действие.

Накамура и др. . также исследовали влияние LIPUS на ингибирование воспалительных реакций in vivo в коленных суставах на животных моделях РА с использованием мышей MRL / lpr (55). Параметры LIPUS были такими же, как и в вышеупомянутом исследовании in vitro . У мышей MRL / lpr, получавших LIPUS в течение 3 недель, гистологические повреждения коленных суставов и поражения были значительно уменьшены по сравнению с контролем, а COX-2-положительные клетки были заметно уменьшены в коленных суставах, обработанных LIPUS, по сравнению с контрольными суставами. .В 2012 году Энгельманн и др. . оценили эффект лечения гелем LIPUS и диметилсульфоксидом (ДМСО) на экспрессию провоспалительных молекул на животной модели травматического повреждения мышц (56). Результаты показали, что LIPUS, связанный с гелем ДМСО, может ослаблять уровни белка TNFα, IL-1β, NF-kB и фосфорилирование JNK при травматическом повреждении мышц.

Возможное применение LIPUS при урологических заболеваниях

В современной биопсихосоциальной модели медицины биологические, психологические и социальные факторы играют важную роль в функционировании человека в контексте болезни или недуга.Комбинированные терапевтические процедуры и индивидуальные процедуры будут играть важную роль в физиотерапии и реабилитационной медицине. Благодаря терапевтическому и биологическому воздействию и широкому клиническому применению LIPUS на различных тканях человека, LIPUS может стать эффективной клинической процедурой для лечения урологических заболеваний.

Хронический простатит / синдром хронической тазовой боли (ХП / СХТБ)

ХП / СХТБ определяется как симптомы хронической тазовой боли, длящиеся от 3 до 6 месяцев, при отсутствии инфекции мочевыводящих путей или другой хорошо идентифицируемой причины.Он относится к третьей категории простатита (категория III) и поражает около 90–95% мужчин с простатитом. Хотя существует много предложенных этиологий и механизмов, объясняющих патогенез ХП / ХТБ, ни причина заболевания точно не известна, ни эффективные методы лечения не определены. Следовательно, эффективные терапевтические подходы к ХП / СХТБ далеки от удовлетворительных ни врачей, ни пациентов. Срочно необходим новый терапевтический подход (57).

Ультразвуковая терапия впервые была применена при хроническом простатите (ХП) Карпухиным и др. .в 1977 г. (58). В рандомизированном двойном слепом многоцентровом клиническом исследовании, проведенном Ли и др. . в 2013 г. (59) клиническая эффективность и безопасность трансперинеальной ультразвуковой терапии ХП были проанализированы с использованием баллов NIH-CPSI и результатов рутинного исследования жидкости простаты. Пациенты были разделены на группы A (пробная) и B (контрольная), первые лечились трансперинеальным ультразвуком, а вторые — тем же аппаратом, но без ультразвуковых волн. Ультразвуковая терапия длилась 10 мин через день в течение 2 недель.Затем оценивали показатели NIH-CPSI и количество лейкоцитов (WBC) и лецитиновых телец (LC) в жидкости простаты между двумя группами до и после лечения. Результаты показали, что трансперинеальная ультразвуковая терапия с преимуществами безопасности, простоты в эксплуатации и высокой переносимости очень эффективна при ХП, особенно в облегчении боли в простате.

Совсем недавно было доказано, что несколько биомаркеров сильно коррелируют с CP / CPPS, включая интерлейкин-8 (IL-8), MCP-1 и воспалительный белок макрофагов-1α (MIP-1α) (46,60).Пациенты с более высокими уровнями IL-8 сообщали о наихудших симптомах, а подтипы простатита CPPS имели статистически более высокие уровни MCP-1 и MIP-1α, чем в контрольной группе и пациентах с доброкачественной гиперплазией простаты. Было продемонстрировано, что LIPUS влияет на регуляцию секреции этих цитокинов (46). Кроме того, LIPUS оказывает противовоспалительное действие на остеобласты, стимулированные LPS, ингибируя передачу сигнала TLR4 (5), а воздействие LIPUS может ингибировать индуцированную IL-1beta экспрессию COX-2 через рецептор интегрина бета1 с последующим фосфорилированием ERK 1/2. (61), поскольку этот ЦОГ-2 является ответом на боль.Таким образом, LIPUS рассматривается как эффективная клиническая процедура для лечения CP / CPPS из-за вышеупомянутых факторов, и механизм LIPUS для его биологических эффектов будет дополнительно прояснен, и в будущем будут установлены дополнительные клинические дозировки энергии и терапевтический протокол. .

Эректильная дисфункция (ЭД)

Недавно было показано, что терапия низкоэнергетическими ударными волнами (LESWT), еще одна важная форма терапевтических звуковых волн, используемых в реабилитационной медицине, заметно улучшает эректильную функцию у пациентов с органической ЭД (62), а также у крыс с диабетом (63, 64).LESWT рекомендован в качестве терапии первой линии для лечения ЭД Европейской ассоциацией урологов (EAU) и Международным обществом сексуальной медицины (ISSM). Механизмы LESWT на ED могут включать подавляющую регуляцию рецептора для конечных продуктов гликозилирования (63) и рекрутирование эндогенных МСК (64). ЭД имеет общие факторы риска с сердечно-сосудистыми заболеваниями (ССЗ), и ЭД может быть ранним признаком симптоматических ССЗ (65). Как было указано выше, было продемонстрировано, что LIPUS оказывает положительное влияние на различные патологические процессы в организме человека, кроме того, в исследованиях сердечно-сосудистой системы человека был обнаружен новый стимулирующий ангиогенез эффект LIPUS (66,67).Следовательно, вопрос о том, оказывает ли LIPUS эффект улучшения эректильной функции в области ЭД, крайне нуждается в проверке.

В предварительном исследовании Lei et al . в 2015 году было обнаружено, что терапия LIPUS оказывает влияние на улучшение эректильной функции и обращение вспять патологических изменений в ткани полового члена у крыс с ЭД, индуцированным STZ-индуцированным диабетом I типа (68). Результаты показали, что терапия LIPUS (100, 200 и 300 мВт / см ² интенсивность, рабочий цикл 20% при 1,0 кГц, 1,7 МГц) продолжалась 3 минуты за раз, 3 раза в неделю в течение 2 недель могла увеличить эндотелий и сгладить содержание мышц, соотношение коллаген I / коллаген III, количество эластических волокон и экспрессия eNOS и nNOS в пенисе при диабете, а также подавление сигнального пути TGF-beta1 / Smad / CTGF в ткани полового члена.Необходимо дополнительно изучить, влияет ли LIPUS на набор эндогенных МСК в эректильные ткани. Тем не менее, до будущего потенциального применения LIPUS-терапии для лечения ЭД в клинике необходимо изучить профили безопасности, клинические испытания и повторное лечение в дальнейших исследованиях.

Стрессовое недержание мочи (SUI)

Международное общество по борьбе с недержанием мочи определяет SUI как непроизвольное истечение мочи при физическом напряжении, кашле или чихании.Около 35% женщин испытали недержание мочи, и SUI является наиболее распространенным типом недержания мочи, при этом 50% женщин с недержанием мочи демонстрируют чистый SUI (69). Обычно удержание мочи поддерживается за счет координации между мочевым пузырем, уретрой, мышцами тазового дна и нервной системой. Развитие SUI связано с двумя признанными механизмами: гипермобильностью и внутренним дефицитом сфинктера (ISD), которые могут сосуществовать. Гипермобильность может привести к неравномерной передаче давления и открытию шейки мочевого пузыря, что приводит к подтеканию мочи при нагрузке; в то время как во время ISD сфинктер не может поддерживать давление закрытия уретры в покое (70).В настоящее время лечение SUI можно разделить на консервативные, фармакологические и хирургические методы, и лечение пациентов с SUI должно быть адаптировано к индивидууму для оптимизации лечения.

В последнее время во многих исследованиях для лечения СНМ использовалась терапия на основе стволовых клеток при недостаточности сфинктера мочевого пузыря и регенерации нервов (71). Применение МСК как часть терапевтической стратегии функциональной регенерации комплекса сфинктера мочевого пузыря обусловлено двумя механизмами: МСК способны дифференцировать и функционально замещать дегенерированные гладкомышечные клетки сфинктера уретры, а факторы роста высвобождаются МСК могут регенерировать комплекс сфинктера.Поскольку LIPUS обладает эффектами активации и дифференцировки стволовых клеток / клеток-предшественников in vitro, и in vivo , лечение LIPUS с соответствующей интенсивностью, используемое отдельно или в сочетании, может помочь в регенерации мышц и нервов в комплексе мочевого сфинктера. При потенциальном применении лечения LIPUS патологическое и функциональное восстановление у пациентов с СНМ будет безопасным и эффективным.

Выводы

На сегодняшний день ультразвуковые волны используются не только в медицине визуализации для диагностики, но также используются в реабилитационной медицине с целью предотвращения и лечения заболеваний из-за их теплового и нетеплового воздействия.LIPUS выполняет большую часть вышеупомянутых ультразвуковых приложений, включая ускорение заживления переломов костей, ускорение регенерации мягких тканей, подавление воспалительных реакций и так далее. LIPUS может стать эффективной клинической процедурой для лечения ХП / СХТБ, ЭД и СНМ в области урологии. Однако лежащие в основе механизмы терапевтического биологического воздействия ультразвука на человеческий организм еще предстоит изучить, и необходимы тщательно разработанные строгие базовые и клинические исследования для изучения его дальнейшего применения в реабилитационной медицине.Ультразвуковые волны, особенно LIPUS, могли бы быть более широко используемым методом, чем мы могли бы предвидеть для личного лечения в современной биопсихосоциальной модели медицины.

Благодарности

Финансирование: Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая: № 81470921 и № 81272531.

Конфликт интересов: Авторы не заявляют о конфликте интересов.

Список литературы

1. Wood RW, Лумис А.Л. XXXVIII. Физические и биологические эффекты высокочастотных звуковых волн большой интенсивности. Лондон, Эдинбург, Dublin Philosophical Magazine J Sci 1927; 4: 417-36.
2. Урита А., Ивасаки Н., Кондо М. и др. Влияние низкоинтенсивного импульсного ультразвука на заживление костей в местах остеотомии после укорачивания костей предплечья. J Hand Surg Am 2013; 38: 498-503. [Crossref] [PubMed]
3. Zhou S, Schmelz A, Seufferlein T, et al.Молекулярные механизмы импульсного ультразвука низкой интенсивности в фибробластах кожи человека. J. Biol Chem 2004; 279: 54463-9. [Crossref] [PubMed]
4. Икай Х, Тамура Т, Ватанабе Т и др. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук ускоряет заживление ран пародонта после лоскутной хирургии. J Periodontal Res 2008; 43: 212-6. [Crossref] [PubMed]
5. Nakao J, Fujii Y, Kusuyama J, et al. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук (LIPUS) подавляет LPS-индуцированные воспалительные реакции остеобластов посредством диссоциации TLR4-MyD88.Кость 2014; 58: 17-25. [Crossref] [PubMed]
6. Клас Л., Вилли Б. Усовершенствование регенерации костей с помощью ультразвука. Прог Биофиз Мол Биол 2007; 93: 384-98. [Crossref] [PubMed]
7. Кусуяма Дж., Бандоу К., Шамото М. и др. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук (LIPUS) влияет на многолинейную дифференцировку мезенхимальных стволовых линий и линий клеток-предшественников через сигнальный путь ROCK-Cot / Tpl2-MEK-ERK. Журнал биол. Химии 2014; 289: 10330-44. [Crossref] [PubMed]
8. Wu J, Nyborg WL.Ультразвук, кавитационные пузыри и их взаимодействие с клетками. Adv Drug Deliv Rev 2008; 60: 1103-16. [Crossref] [PubMed]
9. тер Хаар Г. Терапевтические применения ультразвука. Prog Biophys Mol Biol 2007; 93: 111-29. [Crossref] [PubMed]
10. Уотсон Т. Ультразвук в современной физиотерапевтической практике. Ультразвук 2008; 48: 321-9. [Crossref] [PubMed]
11. Warden SJ. Новое направление ультразвуковой терапии в спортивной медицине. Sports Med 2003; 33: 95-107.[Crossref] [PubMed]
12. Khanna A, Nelmes RT, Gougoulias N, et al. Влияние LIPUS на заживление мягких тканей: обзор литературы. Br Med Bull 2009; 89: 169-82. [Crossref] [PubMed]
13. тер Хаар Г. Терапевтический ультразвук. Eur J Ultrasound 1999; 9: 3-9. [Crossref] [PubMed]
14. Ахмади Ф., Маклафлин IV, Чаухан С. и др. Биоэффекты и безопасность низкочастотного ультразвукового воздействия низкой интенсивности. Prog Biophys Mol Biol 2012; 108: 119-38. [Crossref] [PubMed]
15. Азагури А., Хури Л., Энден Г. и др.Трансдермальная доставка лекарств, опосредованная ультразвуком. Adv Drug Deliv Rev 2014; 72: 127-43. [Crossref] [PubMed]
16. Чжоу Ю. Лечение запущенного рака поджелудочной железы с помощью фокусированного ультразвука высокой интенсивности. Гастроэнтерол Рес Прак 2014; 2014: 205325.
17. Утида Т., Томонага Т., Ким Х и др. Улучшение результатов благодаря усовершенствованию сфокусированных ультразвуковых устройств высокой интенсивности для лечения локализованного рака простаты. Журнал Урол 2015; 193: 103-10. [Crossref] [PubMed]
18. Fornage BD, Хван РФ.Текущее состояние чрескожной абляции рака груди под визуализацией. AJR Am J Roentgenol 2014; 203: 442-8. [Crossref] [PubMed]
19. Хохлова Т.Д., Хван Дж. Х. HIFU для паллиативного лечения рака поджелудочной железы. Журнал Гастроинтест Онкол 2011; 2: 175-84. [PubMed]
20. Bashardoust Tajali S, Houghton P, MacDermid JC, et al. Влияние низкоинтенсивной импульсной ультразвуковой терапии на заживление переломов: систематический обзор и метаанализ. Am J Phys Med Rehabil 2012; 91: 349-67. [Crossref] [PubMed]
21. Бейкер К.Г., Робертсон В.Дж., Дак Ф.А.Обзор терапевтического ультразвука: биофизические эффекты. Phys Ther 2001; 81: 1351-8. [PubMed]
22. Дайсон М., Саклинг Дж. Стимуляция восстановления тканей ультразвуком: обзор задействованных механизмов. Физиотерапия 1978; 64: 105-8. [PubMed]
23. Draper DO, Mahaffey C, Kaiser D, et al. Тепловой ультразвук снижает жесткость тканей триггерных точек в верхних трапециевидных мышцах. Physiother Theory Pract.2010; 26: 167-72. [Crossref] [PubMed]
24. Lv Y, Zhao P, Chen G, et al.Влияние низкоинтенсивного импульсного ультразвука на жизнеспособность, пролиферацию и нейральную дифференцировку индуцированных стволовых клеток нервного гребня, полученных из плюрипотентных стволовых клеток. Biotechnol Lett 2013; 35: 2201-12. [Crossref] [PubMed]
25. Lv Y, Nan P, Chen G, et al. Восстановление in vivo перерезанного седалищного нерва крысы с помощью низкоинтенсивного импульсного ультразвука и индуцированные стволовые клетки нервного гребня, полученные из плюрипотентных стволовых клеток. Biotechnol Lett 2015; 37: 2497-506. [Crossref] [PubMed]
26. Паундер Н.М., Харрисон А.Дж.Импульсный ультразвук низкой интенсивности для заживления переломов: обзор клинических данных и связанного с ними биологического механизма действия. Ультразвук 2008; 48: 330-8. [Crossref] [PubMed]
27. Rutten S, Nolte PA, Korstjens CM, et al. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук воздействует на иммунопозитивные остеогенные клетки RUNX2 при замедленном клиническом заживлении перелома. Кость 2009; 45: 862-9. [Crossref] [PubMed]
28. Кумагаи К., Такеучи Р., Исикава Х. и др. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук ускоряет заживление переломов за счет стимуляции привлечения как местных, так и циркулирующих остеогенных предшественников.Журнал Ортоп Рес 2012; 30: 1516-21. [Crossref] [PubMed]
29. Падилла Ф, Путс Р., Вико Л. и др. Стимуляция восстановления костей с помощью ультразвука: обзор возможных механических эффектов. Ультразвук 2014; 54: 1125-45. [Crossref] [PubMed]
30. Робертсон В.Дж., Бейкер К.Г. Обзор терапевтического ультразвука: исследования эффективности. Phys Ther 2001; 81: 1339-50. [PubMed]
31. Танака Э., Курода С., Хориучи С. и др. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук в зубочелюстной тканевой инженерии.Энн Биомед Энг 2015; 43: 871-86. [Crossref] [PubMed]
32. Рубин С., Боландер М., Рябы Дж. П. и др. Использование ультразвука низкой интенсивности для ускорения заживления переломов. J Bone Joint Surg Am 2001; 83-A: 259-70. [PubMed]
33. Хекман Дж. Д., Ряби Дж. П., МакКейб Дж. И др. Ускорение заживления переломов большеберцовой кости с помощью неинвазивного низкоинтенсивного импульсного ультразвука. J Bone Joint Surg Am 1994; 76: 26-34. [PubMed]
34. Kristiansen TK, Ryaby JP, McCabe J, et al. Ускоренное заживление переломов дистального отдела лучевой кости с помощью специфического низкоинтенсивного ультразвука.Многоцентровое проспективное рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование. J Bone Joint Surg Am 1997; 79: 961-73. [PubMed]
35. Busse JW, Bhandari M, Kulkarni AV, et al. Влияние низкоинтенсивной импульсной ультразвуковой терапии на время заживления перелома: метаанализ. CMAJ 2002; 166: 437-41. [PubMed]
36. Мартинес де Альборнос П., Кханна А., Лонго У. Г. и др. Доказательства использования низкоинтенсивного импульсного ультразвука для лечения переломов in vitro, у животных и человека. Br Med Bull 2011; 100: 39-57.[Crossref] [PubMed]
37. Zura R, Mehta S, Della Rocca GJ и др. Когортное исследование 4 190 пациентов, получавших низкоинтенсивный импульсный ультразвук (LIPUS): результаты у пожилых людей по сравнению со всеми пациентами. BMC Musculoskelet Disord 2015; 16:45. [Crossref] [PubMed]
38. Griffin XL, Смит Н., Парсонс Н. и др. Ультразвуковая и ударно-волновая терапия острых переломов у взрослых. Кокрановская база данных Syst Rev 2012; 2: CD008579. [PubMed]
39. Икеда К., Такаяма Т., Сузуки Н. и др.Влияние низкоинтенсивного импульсного ультразвука на дифференцировку клеток C2C12. Life Sci 2006; 79: 1936-43. [Crossref] [PubMed]
40. Nishikori T, Ochi M, Uchio Y, et al. Влияние низкоинтенсивного импульсного ультразвука на пролиферацию и синтез хондроитинсульфата культивируемых хондроцитов, заключенных в гель ателоколлагена. J Biomed Mater Res 2002; 59: 201-6. [Crossref] [PubMed]
41. Korstjens CM, van der Rijt RH, Albers GH, et al. Импульсный ультразвук низкой интенсивности воздействует на суставные хондроциты человека in vitro.Med Biol Eng Comput 2008; 46: 1263-70. [Crossref] [PubMed]
42. Такеучи Р., Рио А., Комицу Н. и др. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук активирует путь фосфатидилинозитол-3 киназы / Akt и стимулирует рост хондроцитов в трехмерных культурах: фундаментальное научное исследование. Arthritis Res Ther 2008; 10: R77. [Crossref] [PubMed]
43. Воган Н.М., Грейнджер Дж., Бадер Д.Л. и др. Способность импульсного ультразвука низкой интенсивности стимулировать синтез матрикса хондроцитов в агарозных и монослойных культурах.Med Biol Eng Comput 2010; 48: 1215-22. [Crossref] [PubMed]
44. Whitney NP, Lamb AC, Louw TM и др. Интегрин-опосредованный путь механотрансдукции низкоинтенсивного непрерывного ультразвука в хондроцитах человека. Ультразвук Med Biol 2012; 38: 1734-43. [Crossref] [PubMed]
45. Юань LJ, Niu CC, Lin SS и др. Действие низкоинтенсивного импульсного ультразвука и гипербарического кислорода на остеоартрозные хондроциты человека. J Orthop Surg Res 2014; 9: 5. [PubMed]
46. Оми Х, Мочида Дж., Ивашина Т. и др.Низкоинтенсивная импульсная ультразвуковая стимуляция усиливает TIMP-1 в клетках пульпозного ядра и MCP-1 в макрофагах у крысы. Журнал Ортоп Рес 2008; 26: 865-71. [Crossref] [PubMed]
47. Кобаяши Ю., Сакаи Д., Ивашина Т. и др. Импульсный ультразвук низкой интенсивности стимулирует пролиферацию клеток, синтез протеогликанов и экспрессию генов, связанных с факторами роста, в клеточной линии пульпозного ядра человека. Eur Cell Mater 2009; 17: 15-22. [PubMed]
48. Такакура Ю., Мацуи Н., Йошия С. и др.Низкоинтенсивный импульсный ультразвук ускоряет заживление повреждений медиальной коллатеральной связки у крыс. J Ultrasound Med 2002; 21: 283-8. [PubMed]
49. Уорден С.Дж., Авин К.Г., Бек Э.М. и др. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук ускоряет процесс, а нестероидные противовоспалительные препараты замедляют заживление связок колена. Am J Sports Med 2006; 34: 1094-102. [PubMed]
50. Hu B, Zhang Y, Zhou J, et al. Низкоинтенсивная импульсная ультразвуковая стимуляция способствует остеогенной дифференцировке клеток периодонтальной связки человека.PLoS One 2014; 9: e95168. [Crossref] [PubMed]
51. Рен Л., Ян З., Сонг Дж. И др. Вовлечение пути p38 MAPK в импульсный ультразвук низкой интенсивности индуцировало остеогенную дифференцировку клеток периодонтальной связки человека. Ультразвук 2013; 53: 686-90. [Crossref] [PubMed]
52. Ху Дж., Цюй Дж., Сюй Д. и др. Комбинированное применение низкоинтенсивного импульсного ультразвука и функциональной электростимуляции ускоряет заживление соединения кость-сухожилие на модели кролика. Журнал Ортоп Рес 2014; 32: 204-9.[Crossref] [PubMed]
53. Ловрик В., Леджер М., Гольдберг Дж. И др. Влияние низкоинтенсивного импульсного ультразвука на заживление сухожилий и костей на модели вращательной манжеты овец, эквивалентной чрескостному. Коленная хирургия Sports Traumatol Arthrosc 2013; 21: 466-75. [Crossref] [PubMed]
54. Бенито MJ, Veale DJ, FitzGerald O и др. Воспаление синовиальной ткани при раннем и позднем остеоартрозе. Энн Рум Дис 2005; 64: 1263-7. [Crossref] [PubMed]
55. Накамура Т., Фуджихара С., Ямамото-Нагата К. и др.Пульсирующий ультразвук низкой интенсивности снижает воспалительную активность синовита. Энн Биомед Энг 2011; 39: 2964-71. [Crossref] [PubMed]
56. Энгельманн Дж., Витто М.Ф., Ческонетто П.А. и др. Импульсный ультразвук и лечение гелем диметилсульфоксидом снижает экспрессию провоспалительных молекул в модели мышечного повреждения на животных. Ультразвук Med Biol 2012; 38: 1470-5. [Crossref] [PubMed]
57. Коэн Дж. М., Фэгин А. П., Харитон Э. и др. Терапевтическое вмешательство при хроническом простатите / синдроме хронической тазовой боли (ХП / СХТБ): систематический обзор и метаанализ.PLoS One 2012; 7: e41941. [Crossref] [PubMed]
58. Карпухин В.Т., Нестеров Н.И., Роман ДЛ. Ультразвуковая терапия хронического простатита. Вопр Курортол Физиотер Лех Физ Культ 1977.75-7. [PubMed]
59. Li HS, Ван Б., Хан Л. и др. Трансперинеальная ультразвуковая терапия хронического простатита. Чжунхуа Нан ​​Кэ Сюэ 2013; 19: 49-53. [PubMed]
60. Mazzoli S, Cai T, Rupealta V и др. Интерлейкин 8 и IgA слизистой оболочки к chlamydia trachomatis как урогенитальные иммунологические маркеры у пациентов с C.trachomatis инфекция предстательной железы. Eur Urol 2007; 51: 1385-93. [Crossref] [PubMed]
61. Ивабучи Ю., Танимото К., Танне Ю. и др. Влияние низкоинтенсивного импульсного ультразвука на экспрессию циклооксигеназы-2 в мыщелковых хондроцитах нижней челюсти. J Оральная лицевая боль, головная боль 2014; 28: 261-8. [Crossref] [PubMed]
62. Варди Ю., Аппель Б., Якоб Г. и др. Может ли низкоинтенсивная экстракорпоральная ударно-волновая терапия улучшить эректильную функцию? Пилотное исследование с 6-месячным периодом наблюдения у пациентов с органической эректильной дисфункцией.Eur Urol 2010; 58: 243-8. [Crossref] [PubMed]
63. Лю Дж., Чжоу Ф., Ли Г.Й. и др. Оценка влияния различных доз низкоэнергетической ударно-волновой терапии на эректильную функцию у крыс с диабетом, вызванным стрептозотоцином (СТЗ). Int J Mol Sci 2013; 14: 10661-73. [Crossref] [PubMed]
64. Qiu X, Lin G, Xin Z и др. Влияние низкоэнергетической ударно-волновой терапии на эректильную функцию и ткань модели крыс с диабетом. J Sex Med 2013; 10: 738-46. [Crossref] [PubMed]
65. Gandaglia G, Briganti A, Jackson G и др.Систематический обзор связи между эректильной дисфункцией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Eur Urol 2014; 65: 968-78. [Crossref] [PubMed]
66. Ханава К., Ито К., Айзава К. и др. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук вызывает ангиогенез и улучшает дисфункцию левого желудочка на модели хронической ишемии миокарда у свиней. PLoS One 2014; 9: e104863. [Crossref] [PubMed]
67. Toyama Y, Sasaki K, Tachibana K и др. Ультразвуковая стимуляция восстанавливает нарушенные способности циркулирующих ангиогенных клеток человека, связанные с неоваскуляризацией.Cardiovasc Res 2012; 95: 448-59. [Crossref] [PubMed]
68. Lei H, Xin H, Guan R, et al. Низкоинтенсивный импульсный ультразвук улучшает эректильную функцию у крыс с диабетом I типа, вызванным стрептозотоцином. Урология 2015; 86: 1241.e11-8.
69. Абрамс П., Кардозо Л., Фолл М. и др. Стандартизация терминологии в отношении функции нижних мочевых путей: отчет подкомитета по стандартизации Международного общества по недержанию мочи. Урология 2003; 61: 37-49. [Crossref] [PubMed]
70. Verghese T, Latthe P.Недавний статус лечения стрессового недержания мочи. Int J Urol 2014; 21: 25-31. [Crossref] [PubMed]
71. Klein G, Hart ML, Brinchmann JE, et al. Мезенхимальные стромальные клетки для регенерации сфинктера. Adv Drug Deliv Rev 2015; 82-83: 123-36. [Crossref] [PubMed]

Цитируйте эту статью как: Xin Z, Lin G, Lei H, Lue TF, Guo Y. Клинические применения импульсного ультразвука низкой интенсивности и его потенциальная роль в урологии. Перевод Андрол Урол 2016; 5 (2): 255-266.DOI: 10.21037 / tau.2016.02.04

Метод обработки ультразвукового сигнала — плюсы и минусы

Перед построением ультразвуковых изображений на основе необработанных радиочастотных (РЧ) данных необходимо удалить частоту импульсов преобразователя из данных, чтобы предотвратить артефакты пульсации на изображении. В ультразвуке существует ряд методов демодуляции, хотя в настоящее время в основном используются два метода обработки ультразвуковых сигналов.

Ультразвуковой импульс состоит из серии волн давления, которые излучаются наружу от датчика.Эти волны распространяются через ткани, рассеиваясь и отражаясь от изменений плотности и эластичности тканей. Часть этой энергии возвращается к преобразователю и регистрируется как короткий всплеск колебаний, подобный короткому всплеску волн, который ударяет по пляжу после того, как прошел большой корабль. Даже если в ткани есть четко очерченный элемент, например кость, он будет записан как группа ряби на изображении, если сначала не будет выполнена предварительная обработка. В идеале предварительная обработка волшебным образом идентифицирует центр группы, удаляя любые ряби.

Этот процесс аналогичен демодуляции радиосигналов. Он имеет точно такое же намерение — удалить сигнал несущей и восстановить огибающую сигнала. По этой причине процесс часто называют «демодуляцией» или «обнаружением». Хотя они были придуманы во время развития радиотехнологий, они интуитивно правильны и для ультразвука.

Первым методом обработки ультразвукового сигнала является квадратурное обнаружение, или IQ, как его иногда называют. Этот метод смешивает (по существу умножает) синусоиду в фазе и квадратурную фазу с входным сигналом, в результате чего содержание сигнала этой частоты должно быть усилено, а все остальное содержание уменьшено.Этот метод относительно просто реализовать аппаратно или программно.

Он также снижает влияние внеполосного шума в сигнале. Однако это может быть недостатком, поскольку часто бывает полезно, чтобы излучаемый импульс охватывал диапазон частот. Если обнаружение IQ выполняется аппаратно, можно рассмотреть снижение скорости оцифровки, что позволит дополнительно снизить затраты. Демодуляция IQ обычно выполняется как первый шаг для доплеровских измерений.

Необработанный сигнал после обнаружения IQ все еще может быть довольно неравномерным на двойной несущей частоте, что требует разумной фильтрации нижних частот перед построением изображения.Это приводит к некоторому размытию. Первый график в верхней части этого блога показывает типичный ультразвуковой эхо-сигнал и его соответствующую огибающую, оцененную с помощью обнаружения IQ. Обратите внимание на двухчастотную пульсацию.

Второй метод обработки ультразвукового сигнала использует преобразование Гильберта. Он дает хорошие результаты и становится все более широко используемым с появлением более высоких частот дискретизации и более широких возможностей цифровой обработки. Эта несколько эзотерическая математическая функция обладает тем интересным свойством, что она сдвигает входной сигнал по фазе на 90 градусов независимо от частоты сигнала.Это по существу смещает пики пульсаций в РЧ-данных на полпути в сторону впадин. Этот модифицированный сигнал и исходный можно объединить, чтобы один заполнял рябь другого, таким образом оценивая величину огибающей. Результатом является очень хорошее приближение энергии импульса, уменьшающее артефакты пульсации изображения при максимальной детализации изображения. . На втором графике показан тот же сигнал, но с наложенным преобразованием Гильберта, а также оцененной огибающей.

С другой стороны, точное вычисление преобразования Гильберта, достаточно быстрое для поддержки приличной частоты кадров, требует значительных вычислительных мощностей.Приемлемые представления преобразования в дискретном времени могут быть выполнены с меньшими затратами либо путем ограничения эффективного частотного диапазона, либо просто путем компромисса с общей достоверностью, чтобы сбалансировать стоимость и качество изображения. С постоянным увеличением вычислительной мощности, доступной в последние годы, этот метод может быть чрезвычайно эффективным.

Оба эти метода модуляции имеют свое место, и это означает, что оба, вероятно, будут использоваться в современных ультразвуковых системах в обозримом будущем.

Кеннет Маккаллум, PEng, главный инженер-физик в компании Starfish Medical.Он занимается разработкой медицинских устройств для различных областей, включая ультразвуковые.

Частота ультразвука | определение частоты ультразвука Медицинским словарем

частота

[fre´kwen-se] 1. количество появлений периодического или повторяющегося процесса в единицу времени, например, количество электрических циклов в секунду, измеренное в герцах. В терминологии кардиостимуляции частота выражается формулой: частота = ½ × ширина импульса.

2. количество случаев конкретного события или количество членов генеральной или статистической выборки, попадающих в определенный класс.

радиочастота диапазон частот электромагнитного излучения от 10 килогерц до 100 гигагерц, используемых для радиосвязи.

относительная частота отношение количества случаев указанного явления в популяции к общей численности населения.

частое мочеиспускание мочеиспускание с короткими интервалами без увеличения суточного объема диуреза из-за уменьшения емкости мочевого пузыря или цистита.

Энциклопедия и словарь Миллера-Кина по медицине, сестринскому делу и смежному здоровью, седьмое издание. © 2003 Saunders, принадлежность Elsevier, Inc. Все права защищены.

частота (ν),

(frē’kwen-sē),

Количество регулярных повторений в заданное время, например, сердцебиение, звуковые колебания.

[L. частот, повторений, часто, постоянный]

Farlex Partner Medical Dictionary © Farlex 2012

частота

Число циклов или повторений периодической волны или сигнала в единицу времени.В электромагнитном излучении частота обычно выражается в герцах (Гц), где 1 Гц = 1 цикл в секунду.

Медицинский словарь Сегена. © 2012 Farlex, Inc. Все права защищены.

частота

Статистика Количество раз, когда определенное периодическое событие происходит за единицу времени. См. Частота столкновений, Кумулятивная частота, Частота Лармора, Наблюдаемая частота, Частота порядка, Повторение импульсов, Частота рекомбинации, Относительная частота.

Краткий словарь современной медицины МакГроу-Хилла.© 2002 McGraw-Hill Companies, Inc.

частота

(ν) (frē’kwĕn-sē)

1. Число регулярных повторений в данный момент времени, например, ударов сердца, звуковые колебания.

2. акустика количество циклов сжатия и разрежения звуковой волны, происходящих за 1 секунду, выраженное в герцах (Гц).

3. Скорость вибрации голосовых связок (то есть, сколько раз голосовая щель открывается и закрывается за 1 секунду) во время фонации; воспринимается как высота голоса.

[L. частот, повторений, часто, постоянно]

Медицинский словарь для профессий здравоохранения и медсестер © Farlex 2012

частота

Неофициальный термин, относящийся к состоянию, при котором моча выделяется чаще, чем обычно (частота мочеиспускания). Частота может быть связана с чрезмерным потреблением жидкости, инфекцией мочевого пузыря, беременностью, применением ДИУРЕТИЧЕСКИХ препаратов или, у мужчин, увеличенной предстательной железой, препятствующей оттоку мочи, так что мочевой пузырь может быть опорожнен только частично.Частота иногда имеет психологическое происхождение.

Медицинский словарь Коллинза © Роберт М. Янгсон 2004, 2005

Частота

Звук, движущийся по воздуху или по телу человека, производит колебания — молекулы, отскакивающие друг от друга, — по мере распространения ударной волны. Частота звука — это количество колебаний в секунду. В пределах слышимого диапазона частота означает высоту звука — чем выше частота, тем выше высота звука.

Медицинская энциклопедия Гейла.Copyright 2008 The Gale Group, Inc. Все права защищены.

частота

(frē’kwĕn-sē)

Количество регулярных повторений в заданное время, например, сердцебиение, звуковые колебания.

[L. частота, повторяется, часто, постоянно]

Медицинский словарь для стоматологов © Farlex 2012

Обсуждение пациентом частоты

В. Какие продукты или жидкости, соки, белки, фрукты полезны для мужской простаты или мочевыводящих путей Частота? Мне 53 года. Мужчина с очень частым мочеиспусканием.Есть ли фрукт, еда, питье, пилюля, коктейль, который помог бы мне с этой проблемой? Я говорю о мочеиспускании 3-4 раза каждую ночь и / или во время просмотра телевизора каждый час или около того. Боли пока нет, иногда после капельницы, что очень раздражает. Возможно, у меня проблема с простатой, и мне следует проконсультироваться с урологом. Тем не менее, прежде чем я пойду туда, знает ли кто-нибудь, что я могу съесть или выпить, чтобы решить или облегчить эту проблему?

A. Спасибо за предупреждение. Одна из моих проблем заключается в том, что я ЛЮБЛЮ кофе, поэтому сокращение моего ежедневного потребления на 2–3 чашки может стать проблемой.

Подробное обсуждение частоты

Этот контент предоставляется iMedix и регулируется Условиями iMedix. Вопросы и ответы не одобряются и не рекомендуются и предоставляются пациентами, а не врачами.