Licha ya ukweli kwamba utafiti wa mawimbi ya ultrasonic ulianza zaidi ya miaka mia moja iliyopita, ni nusu karne tu iliyopita yametumika sana katika nyanja mbalimbali za shughuli za binadamu. Hii ni kwa sababu ya ukuzaji hai wa sehemu zote za quantum na zisizo za mstari za acoustics, na vifaa vya elektroniki vya quantum na fizikia ya hali dhabiti. Leo, ultrasound sio tu jina la eneo la juu-frequency ya mawimbi ya akustisk, lakini mwelekeo mzima wa kisayansi katika fizikia ya kisasa na biolojia, ambayo inahusishwa na teknolojia ya viwanda, habari na kipimo, pamoja na njia za uchunguzi, upasuaji na matibabu. dawa za kisasa.
Hii ni nini?
Mawimbi yote ya sauti yanaweza kugawanywa katika yale ambayo yanasikika kwa binadamu - haya ni masafa kutoka 16 hadi 18 elfu Hz, na yale ambayo yako nje ya anuwai ya utambuzi wa mwanadamu - infrared na ultrasound. Infrasound inaeleweka kama mawimbi yanayofanana na sauti, lakini kwa masafa ya chini kuliko yale yanayotambuliwa na sikio la mwanadamu. Kikomo cha juu cha eneo la infrasonic ni 16 Hz, na kikomo cha chini ni 0.001 Hz.
Sauti ya Ultra- haya pia ni mawimbi ya sauti, lakini tu mzunguko wao ni wa juu kuliko misaada ya kusikia ya binadamu inaweza kujua. Kama sheria, wanamaanisha masafa kutoka 20 hadi 106 kHz. Upeo wao wa juu unategemea kati ambayo mawimbi haya yanaenea. Kwa hiyo, katika kati ya gesi, kikomo ni 106 kHz, na katika imara na vinywaji hufikia 1010 kHz. Kuna vipengele vya ultrasonic katika kelele za mvua, upepo au maporomoko ya maji, kutokwa kwa umeme na kunguruma kwa kokoto zinazoviringishwa na wimbi la bahari. Ni kutokana na uwezo wa kutambua na kuchambua mawimbi ya angavu ambapo nyangumi na pomboo, popo na wadudu wa usiku wanajielekeza angani.
Historia kidogo
Tafiti za kwanza za upigaji sauti (Marekani) zilifanywa mwanzoni mwa karne ya 19 na mwanasayansi Mfaransa F. Savart, ambaye alitaka kujua kikomo cha juu cha masafa ya kusikika kwa kifaa cha usikivu cha binadamu. Katika siku zijazo, wanasayansi mashuhuri kama Mjerumani V. Vin, Mwingereza F. G alton, Mrusi P. Lebedev na kikundi cha wanafunzi walihusika katika utafiti wa mawimbi ya ultrasonic.
Mnamo 1916, mwanafizikia Mfaransa P. Langevin, kwa kushirikiana na mwanasayansi wa uhamiaji wa Urusi Konstantin Shilovsky, waliweza kutumia quartz kupokea na kutoa ultrasound kwa vipimo vya baharini na kugundua vitu vilivyo chini ya maji, ambayo iliruhusu watafiti kuunda ya kwanza. sonar, inayojumuisha kisambaza data na kipokezi cha upigaji sauti.
Mnamo 1925, Mmarekani W. Pierce aliunda kifaa, ambacho leo kinaitwa Pierce interferometer, ambacho hupima kasi na kunyonya kwa usahihi mkubwa.ultrasound katika vyombo vya habari vya kioevu na gesi. Mnamo mwaka wa 1928, mwanasayansi wa Kisovieti S. Sokolov alikuwa wa kwanza kutumia mawimbi ya ultrasonic kugundua kasoro mbalimbali katika yabisi, zikiwemo za metali.
Katika miaka ya 50-60 baada ya vita, kulingana na maendeleo ya kinadharia ya timu ya wanasayansi wa Soviet iliyoongozwa na L. D. Rozenberg, ultrasound ilianza kutumika sana katika nyanja mbalimbali za viwanda na teknolojia. Wakati huo huo, shukrani kwa kazi ya wanasayansi wa Uingereza na Amerika, na vile vile utafiti wa watafiti wa Soviet kama R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov na wengine wengi, taaluma ya kisayansi kama vile acoustics zisizo za mstari inakua kwa kasi.
Takriban wakati huohuo, majaribio ya kwanza ya Marekani ya kutumia kipimo cha sauti katika dawa yalifanywa.
Mwanasayansi wa Kisovieti Sokolov mwishoni mwa miaka ya arobaini ya karne iliyopita alitengeneza maelezo ya kinadharia ya chombo kilichoundwa kuibua vitu visivyo na mwanga - darubini ya "ultrasonic". Kulingana na kazi hizi, katikati ya miaka ya 70, wataalamu kutoka Chuo Kikuu cha Stanford waliunda mfano wa hadubini ya acoustic ya kuchanganua.
Vipengele
Kuwa na asili ya kawaida, mawimbi ya safu zinazosikika, pamoja na mawimbi ya angavu, hutii sheria za kimaumbile. Lakini ultrasound ina idadi ya vipengele vinavyoiruhusu kutumika sana katika nyanja mbalimbali za sayansi, dawa na teknolojia:
1. Urefu mdogo wa mawimbi. Kwa safu ya chini ya ultrasonic, hauzidi sentimita chache, na kusababisha asili ya ray ya uenezi wa ishara. Wakati huo huo, wimbikulenga na kuenezwa kwa mihimili ya mstari.
2. Kipindi cha oscillation kidogo, kutokana na ambayo ultrasound inaweza kutolewa katika mipigo.
3. Katika mazingira anuwai, vibrations vya ultrasonic na urefu wa wimbi usiozidi 10 mm vina mali sawa na mionzi ya mwanga, ambayo inafanya uwezekano wa kuzingatia vibrations, kuunda mionzi iliyoelekezwa, yaani, sio tu kutuma nishati katika mwelekeo sahihi, lakini pia kuizingatia. sauti inayohitajika.
4. Kwa amplitude ndogo, inawezekana kupata maadili ya juu ya nishati ya vibration, ambayo inafanya uwezekano wa kuunda mashamba ya juu ya nishati ya ultrasonic na mihimili bila matumizi ya vifaa vikubwa.
5. Chini ya ushawishi wa ultrasound kwenye mazingira, kuna athari nyingi maalum za kimwili, kibaolojia, kemikali na matibabu, kama vile:
- utawanyiko;
- cavitation;
- degassing;
- upashaji joto wa ndani;
- disinfection na zaidi. wengine
Mionekano
Masafa yote ya ultrasonic yamegawanywa katika aina tatu:
- ULF - chini, na safu ya kHz 20 hadi 100;
- MF - masafa ya kati - kutoka 0.1 hadi 10 MHz;
- UZVCh - masafa ya juu - kutoka 10 hadi 1000 MHz.
Leo, matumizi ya vitendo ya ultrasound kimsingi ni matumizi ya mawimbi ya nguvu ya chini kwa kupima, kudhibiti na kusoma muundo wa ndani wa nyenzo na bidhaa mbalimbali. High-frequency hutumiwa kushawishi kikamilifu vitu mbalimbali, ambayo inakuwezesha kubadilisha mali zaona muundo. Utambuzi na matibabu ya magonjwa mengi na ultrasound (kwa kutumia masafa tofauti) ni sehemu tofauti na inayoendelea ya dawa za kisasa.
Inatumika wapi?
Katika miongo ya hivi majuzi, sio tu wananadharia wa kisayansi wanaovutiwa na uchunguzi wa sauti, bali pia wataalam ambao wanazidi kuitambulisha katika aina mbalimbali za shughuli za binadamu. Leo vitengo vya ultrasonic vinatumika kwa:
| Kupata taarifa kuhusu dutu na nyenzo | Matukio | Marudio katika kHz | ||
| kutoka | kwa | |||
| Utafiti kuhusu muundo na sifa za dutu | miili imara | 10 | 106 | |
| kioevu | 103 | 105 | ||
| gesi | 10 | 103 | ||
| Dhibiti ukubwa na viwango | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defectoscopy | 100 | 105 | ||
| Uchunguzi wa kimatibabu | 103 | 105 | ||
|
Athari kwenye dutu |
Kusongesha na kuweka sahani | 10 | 100 | |
| Welding | 10 | 100 | ||
| deformation ya plastiki | 10 | 100 | ||
| Machining | 10 | 100 | ||
| Emulsification | 10 | 104 | ||
| Crystallization | 10 | 100 | ||
| Nyunyizia | 10-100 | 103-104 | ||
| Mgando wa erosoli | 1 | 100 | ||
| Mtawanyiko | 10 | 100 | ||
| Kusafisha | 10 | 100 | ||
| Michakato ya kemikali | 10 | 100 | ||
| Ushawishi kwenye mwako | 1 | 100 | ||
| Upasuaji | 10 hadi 100 | 103 hadi 104 | ||
| Tiba | 103 | 104 | ||
| Uchakataji na usimamizi wa masaini | Acoustoelectronic transducers | 103 | 107 | |
| Vichujio | 10 | 105 | ||
| Ahirisha laini | 103 | 107 | ||
| Vifaa vya Acousto-optic | 100 | 105 | ||
Katika ulimwengu wa sasa, ultrasound ni zana muhimu ya kiteknolojia katika tasnia kama vile:
- metali;
- kemikali;
- kilimo;
- nguo;
- chakula;
- kifamasia;
- mashine na utengenezaji wa vyombo;
- petrochemical, refining na mengineyo.
Aidha, ultrasound inazidi kutumika katika dawa. Hayo ndiyo tutakayozungumzia katika sehemu inayofuata.
Matumizi ya kimatibabu
Katika dawa ya kisasa ya vitendo, kuna maeneo makuu matatu ya matumizi ya ultrasound ya masafa mbalimbali:
1. Uchunguzi.
2. Tiba.
3. Upasuaji.
Hebu tuangalie kwa karibu kila moja ya maeneo haya matatu.
Utambuzi
Mojawapo ya mbinu za kisasa na za kuarifu zaidi za uchunguzi wa kimatibabu ni uchunguzi wa ultrasound. Faida zake zisizo na shaka ni: athari ndogo kwa tishu za binadamu na maudhui ya juu ya habari.
Kama ilivyotajwa tayari, ultrasound ni mawimbi ya sauti,kueneza kwa njia ya homogeneous katika mstari wa moja kwa moja na kwa kasi ya mara kwa mara. Ikiwa kuna maeneo yenye wiani tofauti wa acoustic kwenye njia yao, basi sehemu ya oscillations inaonekana, na sehemu nyingine inakataliwa, huku ikiendelea harakati zake za rectilinear. Kwa hivyo, tofauti kubwa zaidi katika wiani wa vyombo vya habari vya mpaka, vibrations zaidi ya ultrasonic inaonekana. Mbinu za kisasa za uchunguzi wa ultrasound zinaweza kugawanywa katika eneo na uwazi.
Eneo la Ultrasonic
Katika mchakato wa utafiti kama huo, mipigo inayoakisiwa kutoka kwenye mipaka ya midia yenye msongamano tofauti wa akustika hurekodiwa. Kwa usaidizi wa kitambuzi kinachohamishika, unaweza kuweka ukubwa, eneo na umbo la kitu kinachochunguzwa.
Translucent
Njia hii inatokana na ukweli kwamba tishu mbalimbali za mwili wa binadamu hufyonza ultrasound kwa njia tofauti. Wakati wa kusoma kwa chombo chochote cha ndani, wimbi lililo na nguvu fulani huelekezwa ndani yake, baada ya hapo ishara iliyopitishwa inarekodiwa kutoka upande wa nyuma na sensor maalum. Picha ya kitu kilichochanganuliwa inatolewa kwa kuzingatia mabadiliko ya ukubwa wa mawimbi kwenye "pembejeo" na "pato". Taarifa iliyopokelewa huchakatwa na kubadilishwa na kompyuta kwa namna ya echogram (curve) au sonogram - picha ya pande mbili.
Njia ya Doppler
Hii ndiyo njia ya uchunguzi inayoendelea zaidi, ambayo hutumia upimaji wa mapigo na unaoendelea. Dopplerography hutumiwa sana katika uzazi wa uzazi, cardiology na oncology, kama inaruhusukufuatilia hata mabadiliko madogo kabisa katika kapilari na mishipa midogo ya damu.
Nyumba za matumizi ya uchunguzi
Leo, mbinu za upigaji picha na vipimo vya ultrasound zinatumika sana katika nyanja za matibabu kama vile:
- madaktari wa uzazi;
- ophthalmology;
- cardiology;
- neurology ya watoto wachanga na wachanga;
- uchunguzi wa viungo vya ndani:
- uchunguzi wa figo;
- ini;
- kibofu cha nduru na mirija;
- mfumo wa uzazi wa mwanamke;
utambuzi wa viungo vya nje na vya juu juu (tezi na tezi za maziwa)
Tumia katika matibabu
Athari kuu ya matibabu ya ultrasound ni kutokana na uwezo wake wa kupenya tishu za binadamu, kuzipasha joto na kuzipa joto, na kufanya massage ndogo ya maeneo mahususi. Ultrasound inaweza kutumika kwa athari za moja kwa moja na zisizo za moja kwa moja kwenye lengo la maumivu. Aidha, chini ya hali fulani, mawimbi haya yana baktericidal, anti-inflammatory, analgesic na antispasmodic athari. Ultra sound inayotumika kwa madhumuni ya matibabu imegawanywa kwa masharti katika mitetemo ya juu na ya chini.
Ni mawimbi ya nguvu ya chini ambayo hutumiwa sana kuchochea majibu ya kisaikolojia au joto kidogo lisilodhuru. Matibabu ya Ultrasound yameonyesha matokeo chanya katika magonjwa kama vile:
- arthritis;
- arthritis;
- myalgia;
- spondylitis;
- neuralgia;
- vidonda vya varicose na trophic;
- Ankylosing spondylitis;
- obliterating endarteritis.
Tafiti zinaendelea kwa kutumia ultrasound kutibu ugonjwa wa Meniere, emphysema, duodenal na vidonda vya tumbo, pumu, otosclerosis.
Upasuaji wa Ultrasonic
Upasuaji wa kisasa kwa kutumia mawimbi ya ultrasound umegawanywa katika maeneo mawili:
- kwa kuchagua kuharibu maeneo ya tishu yenye mawimbi maalum ya ultrasonic yaliyodhibitiwa yenye nguvu ya juu yenye masafa kutoka 106 hadi 107 Hz;
- kwa kutumia kifaa cha upasuaji chenye mitetemo ya anga ya juu kutoka 20 hadi 75 kHz.
Mfano wa upasuaji maalum wa uchunguzi wa ultrasound ni kusagwa kwa mawe kwa uchunguzi wa ultrasound kwenye figo. Katika mchakato wa operesheni hiyo isiyo ya uvamizi, wimbi la ultrasonic hutenda kwenye jiwe kupitia ngozi, ambayo ni, nje ya mwili wa mwanadamu.
Kwa bahati mbaya, njia hii ya upasuaji ina vikwazo kadhaa. Usitumie kusagwa kwa ultrasonic katika hali zifuatazo:
- wanawake wajawazito wakati wowote;
- ikiwa kipenyo cha mawe ni zaidi ya sentimeta mbili;
- kwa magonjwa yoyote ya kuambukiza;
- kukiwa na magonjwa yanayoharibu ugandaji wa kawaida wa damu;
- iwapo kuna vidonda vikali vya mifupa.
Licha ya ukweli kwamba uondoaji wa mawe kwenye figo kwa ultrasound hufanywa bila upasuajichale, inauma sana na inafanywa chini ya anesthesia ya jumla au ya ndani.
Vyombo vya upasuaji vya ultrasonic hutumika sio tu kwa kupasua mfupa na tishu laini, lakini pia kupunguza upotezaji wa damu.
Hebu tuelekeze mawazo yetu kwa daktari wa meno. Ultrasound huondoa mawe ya meno kwa uchungu kidogo, na udanganyifu mwingine wote wa daktari ni rahisi zaidi kubeba. Kwa kuongeza, katika mazoezi ya majeraha na mifupa, ultrasound hutumiwa kurejesha uadilifu wa mifupa iliyovunjika. Wakati wa shughuli hizo, nafasi kati ya vipande vya mfupa hujazwa na kiwanja maalum kilicho na chips za mfupa na plastiki maalum ya kioevu, na kisha inakabiliwa na ultrasound, kutokana na ambayo vipengele vyote vinaunganishwa kwa nguvu. Wale ambao wamepata uingiliaji wa upasuaji wakati ambao ultrasound ilitumiwa huacha maoni tofauti - chanya na hasi. Hata hivyo, ikumbukwe kwamba bado kuna wagonjwa walioridhika zaidi!
