Природата на ултразвуковата кавитация

Физически характеристики на ултразвуковото излъчване

За да се представят по-добре процесите, протичащи в биологичните тъкани под действието на ултразвук, трябва да се имат предвид някои физически характеристики на ултразвуковото излъчване. Ултразвукът е един вид механична енергия, която се разпространява в еластична среда под формата на вълна от налягане. Познатите ни вълни от налягане са звук, който чува човешкото ухо (от 20 до 20 000 херца), а ултразвуковите вълни имат честота, по-висока от тази, която се чува от човек (повече от 20 kHz). Еластичните материали могат да променят обема си под действието на външно налягане и да възстановят първоначалната си форма след прекратяване на налягането. По този начин, под натиска на ултразвукова вълна молекулите на веществото започват да се изместват, в резултат на което в съседни области се появяват зоните на компресия и разтягане.

Честотни диапазони кавитацияМогат да се определят няколко честотни диапазони, които се използват в медицината за различни цели. Високочестотен ултразвук (1-20 MHz) се използва за ултразвукова диагностика и хирургия, средни честоти (0.7-3 MHz) се използват във физиотерапията с термичен ефект и ниски честоти (20-200 KHz) за терапия на базата на механичното въздействие на ултразвука (сонофореза, сонотромболиза, стоматология, липосукция, очна хирургия и др.). Ултразвуковите вълни носят енергия, като и електромагнитните вълни. Интензивността на ултразвуковата вълна се определя от скоростта на пренос на енергия през единица площ (W/cm2 ).

Нискочестотният ултразвук обикновено се разделя на високоинтензивен и нискоинтензивен. Нискоинтензивният ултразвук обикновено се използва в комбинация с нефокусирано ултразвуково поле, неговата интензивност варира от 0.1 до 3 W/cm2 . Високоинтензивният ултразвук има интензивност от 5 до няколко хиляди W/cm2 и се формира от фокусиран излъчвател.

Дължината на вълната λ това е разстоянието между две точки на вълната, фази на които се различават с 2π или разстоянието, което преминава фронтът на вълната (или повърхността на вълната) за време, равно на периода на трептене T или обратната на честотата на трептенията f. λ =v/f, където v е скоростта на разпространение на вълната в околната среда. От това съотношение следва, че с увеличаване на честотата на ултразвука се намалява дължината на вълната λ .

Скоростта на разпространение на ултразвукът в човешките и животинските тъкани варира приблизително от около 1490 до 1610 м/сек, т.е. почти не се различава от скоростта на разпространението на ултразвук във вода (1500 m / s). Колкото по-плътна е средата, толкова по-висока е скоростта на вълната, например скоростта на звука във въздуха е 331 м/сек. Дължината на звуковите вълни във въздуха е в диапазона от 22 м (честота 16 Hz) до 1,7 см (честота 20000 Hz). Във водата (меки тъкани) дължина на вълната при честота 20000 Hz е 7,5 см, а при честота 1МГц - 1,4 мм

Източник на ултразвук и ултразвуково поле

Пространствена и временна структура на ултразвуковите вълни, или ултразвуковото поле, създадено от източника на ултразвукови вълни в произволна точка в пространството е от съществено значение за практическото приложение. Създадени са няколко теоретични модела, както и специализирани софтуерни пакети за изчисляване на състоянието на ултразвуковото поле. За илюстрация нека да разгледаме двата най-често срещани източника на ултразвукови вълни: цилиндър с плоска глава и полусфера.

Равномерно вибриращ кръгъл дискПърво да анализираме ултразвуково поле, създадено от равномерно вибриращ кръгъл диск с радиус R или плоска глава на цилиндър. Ако радиусът на диска ще бъде по-малък или равен на излъчваната дължина на вълната (λ), тогава вълните ще се разпръснат във формата на полусфери. Точно такива излъчватели има на повечето апарати, използвани в козметиката.

С увеличаването на радиуса или увеличаването на честотата, акустичното поле ще се образува от сложна серия от лъчи под формата на максимуми и минимуми в близкото поле. Последният максимум се достига на разстояние от R ^ 2 / λ от цилиндъра, след тази точка интензивността на акустичното поле започва да намалява пропорционално на обратния квадрат на разстоянието и тази област се нарича далечно поле. Такива излъчватели в козметиката, като правило, не се използват поради високата хетерогенност на акустичното поле.

С помощта на излъчвател във формата на полусфера може да се формира много по-фокусирано ултразвуково поле. Близкото поле на фокусирания източник също се състои от максимуми и минимуми, при това интензитетът на максимумите ще се увеличава по посока на геометричния фокус, а след точката на фокуса снопът ще започне да се разпръсква. Фокалната област на полусферата в точката на геометричния фокус има формата на елипсоид. Интензивността в точката на фокусиране на полусферичния източник винаги ще бъде по-висока от интензивността в точката на последния максимум при цилиндъра с плоска глава. Чрез промяна на геометрията на полусферичния източник, ултразвукът може да бъде фокусиран във почти всяка точка на човешкото тяло. Такива излъчватели се използват за ултразвуков лифтинг на лицето (фокусиран ултразвук с висока интензивност, HIFU) и в някои апарати за оформяне на тялото.

Отражение и пречупване

Излъчвател във формата на полусфераСъпротивлението, което средата оказва към осцилиращата повърхност, се характеризира с акустичен импеданс. Може да се каже, че за плоска вълна импедансът е равен на произведението на плътността на материала и скоростта на звука в средата. Основната част от меките тъкани съдържа вода, така че акустичните импеданси в организма не се различават съществено от водата. Мастната тъкан има малко по-ниска стойност поради по-ниската плътност. Основните изключения са белите дробове, които имат значително по-малък акустичен импеданс поради големия брой въздушни кухини и кости, които притежават висока плътност и съответно висок акустичен импеданс.

В хомогенна среда ултразвуковите вълни се разпространяват по права линия. Обаче, ако по пътя им се появи повърхност на разделяне между средите, тогава част от ултразвуковия поток се отразява, а друга част, пречупва се и прониква по-нататък в тъканите. За отражението е достатъчно импедансите на средите да се различават поне с 1%. Колкото по-голяма е разликата в акустичното съпротивление на съседните тъкани, толкова по-голяма част от енергия се отразява на тяхната граница, а също и по-голям е ъгълът на пречупване. На границата между меките тъкани и газ отражението е почти пълно.

Специално трябва да се отбележи отражението от кожата. Необходимо е да се вземе предвид фактът, че кожата се състои от тъкани с различно хидро съдържание. Например, повърхностният слой на кожата (епидермис) съдържа малко течност и не може да бъде идентифициран от тази гледна точка с меките тъкани и още повече с водата. Също така е необходимо да се вземе предвид малката дебелина на епидермиса. Възможно е, че по тази причина епидермисът да не може да бъде сериозна пречка за разпространението на ултразвукът в по-дълбоките слоеве на кожата.

Във връзка с това, че ултразвукът се отразява дори от най-тънкия междинен слой на въздуха, той се довежда до тялото на пациента чрез безвъздушна контактна среда: специални гелове, вазелин или растително масло, медицински мехлеми и вода. При ултразвукова терапия излъчвателят се придвижва плътно притиснат към кожата. Ако има въздушна междина между излъчвателя и кожата на човек, ултразвукът практически не прониква вътре, т.е. почти напълно се отразява от границата на въздух-кожа (вълновото съпротивлението на биологичната среда е повече от 3000 пъти по-голямо от вълновото съпротивлението на въздуха).

Абсорбция и разсейване

Затихването (fading) на ултразвуковите вълни в тъканите е резултат от абсорбцията и разсейването на вълните и определя дълбочината на проникване. Приносът на разсейването към затихването е малък: разпръснатата енергия в крайна сметка също се абсорбира, но върху много по-голяма площ. Абсорбцията на ултразвукът може да се дължи на свойствата на самата среда, а също и на отраженията на границите на средата. В крайна сметка цялата акустична енергия се преобразува в топлинна.

Експериментално беше установено, че абсорбцията и общото затихване приблизително линейно зависят от честотата на вълната. С изключение на няколко вида тъкани, коефициентите на затихване за меките тъкани са сходни при всички хора и бозайници. Като цяло, може да се отбележи, че колкото по-висока е честотата на ултразвука, толкова по-бързо той изчезва, преобразувал се в топлинна енергия. Ниската дълбочина на проникване на високочестотния ултразвук се компенсира от използването на фокусиран източник на излъчване.

Затихването значително се увеличава в течности и тъкани при наличието в тях на малки газови мехурчета. Ултразвуковите вълни се разпръскват от мехурчета с различна честота, част от енергията преминава във високочестотни колебания, които бързо изчезват. Освен това, промените в температурата, дължащи се на вибриращи мехурчета, водят до по-значителни загуби на енергия вследствие на промяна на плътността. Ултразвукова вълна, разпространяваща се в среда, съдържаща газови мехурчета, многократно се разпръсква и абсорбира, което води до по-концентрирано разсейване и поглъщане на ултразвукова енергия. Този ефект често се използва при ултразвуковата хирургия, чрез въвеждане на специални газови мехурчета в тъканта за локализиране на въздействието. Високите пикови налягания на разреждане могат да доведат до образуването на мехурчета в меките тъкани, а взаимодействието на мехурчетата и ултразвуковата вълна се нарича кавитация.

При използване на вискозни гелове, ултразвукът прониква добре в меките тъкани. При теоретичното моделиране интензивността на ултразвуковото поле на нискочестотен нефокусиран източник бързо намалява вече на дълбочина 1,5–2 см в меките тъкани. Въздействието на нискочестотен ултразвук в непосредствена близост до костите, белите дробове може да доведе до интензивно нагряване. Нискочестотният ултразвук има по-нисък термичен ефект от високочестотния. Газовите мехурчета, образувани по време на кавитацията, водят до нагряване и по-нататъшно усилване на кавитационните процеси.