Mặc dù thực tế là việc nghiên cứu sóng siêu âm đã bắt đầu từ hơn một trăm năm trước, nhưng chỉ nửa thế kỷ qua, chúng mới được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của con người. Điều này là do sự phát triển tích cực của cả phần lượng tử và phi tuyến của âm học, điện tử lượng tử và vật lý trạng thái rắn. Ngày nay, siêu âm không chỉ là chỉ định của vùng tần số cao của sóng âm, mà là toàn bộ hướng khoa học trong vật lý và sinh học hiện đại, gắn liền với công nghệ công nghiệp, thông tin và đo lường, cũng như các phương pháp chẩn đoán, phẫu thuật và điều trị của y học hiện đại.
Đây là gì?
Tất cả các sóng âm thanh có thể được chia thành những sóng mà con người có thể nghe được - đó là những tần số từ 16 đến 18 nghìn Hz và những sóng nằm ngoài phạm vi nhận thức của con người - hồng ngoại và siêu âm. Sóng hồng ngoại được hiểu là những sóng tương tự như âm thanh, nhưng có tần số thấp hơn tần số mà tai người cảm nhận được. Giới hạn trên của vùng hạ âm là 16 Hz và giới hạn dưới là 0,001 Hz.
Siêu âm- Đây cũng là những sóng âm thanh, nhưng chỉ có tần số của chúng cao hơn mức mà máy trợ thính của con người có thể cảm nhận được. Theo quy luật, chúng có nghĩa là tần số từ 20 đến 106 kHz. Giới hạn trên của chúng phụ thuộc vào môi trường truyền các sóng này. Vì vậy, trong môi trường khí, giới hạn là 106 kHz, trong chất rắn và chất lỏng, giới hạn này đạt 1010 kHz. Có các thành phần siêu âm trong tiếng ồn của mưa, gió hoặc thác nước, phóng điện sét và tiếng sột soạt của đá cuội cuộn bởi sóng biển. Nhờ khả năng cảm nhận và phân tích sóng siêu âm mà cá voi và cá heo, dơi và côn trùng ăn đêm tự định hướng trong không gian.
Một chút lịch sử
Các nghiên cứu đầu tiên về siêu âm (Mỹ) được thực hiện vào đầu thế kỷ 19 bởi nhà khoa học người Pháp F. Savart, người đã tìm cách tìm ra giới hạn tần số trên của khả năng nghe của máy trợ thính con người. Trong tương lai, các nhà khoa học nổi tiếng như V. Vin người Đức, F. G alton người Anh, P. Lebedev người Nga và một nhóm sinh viên đã tham gia vào nghiên cứu sóng siêu âm.
Năm 1916, nhà vật lý người Pháp P. Langevin, phối hợp với nhà khoa học người Nga Konstantin Shilovsky, đã có thể sử dụng thạch anh để nhận và phát ra sóng siêu âm cho các phép đo biển và phát hiện các vật thể dưới nước, điều này cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra sonar, bao gồm máy phát và máy thu sóng siêu âm.
Năm 1925, W. Pierce người Mỹ đã tạo ra một thiết bị, ngày nay được gọi là giao thoa kế Pierce, đo vận tốc và độ hấp thụ với độ chính xác cao.siêu âm trong môi trường lỏng và khí. Năm 1928, nhà khoa học Liên Xô S. Sokolov là người đầu tiên sử dụng sóng siêu âm để phát hiện các khuyết tật khác nhau trong chất rắn, bao gồm cả các khuyết tật kim loại.
Trong những năm 50-60 sau chiến tranh, dựa trên những phát triển lý thuyết của một nhóm các nhà khoa học Liên Xô do L. D. Rozenberg đứng đầu, siêu âm bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và công nghệ khác nhau. Đồng thời, nhờ công của các nhà khoa học Anh và Mỹ, cũng như nghiên cứu của các nhà nghiên cứu Liên Xô như R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov và nhiều người khác, ngành khoa học như âm học phi tuyến đang phát triển nhanh chóng.
Cũng trong khoảng thời gian đó, những nỗ lực đầu tiên của người Mỹ sử dụng sóng siêu âm trong y học đã được thực hiện.
Nhà khoa học Liên Xô Sokolov vào cuối những năm bốn mươi của thế kỷ trước đã phát triển một mô tả lý thuyết về một dụng cụ được thiết kế để hình dung các vật thể không trong suốt - một kính hiển vi "siêu âm". Dựa trên những công trình này, vào giữa những năm 70, các chuyên gia từ Đại học Stanford đã tạo ra một nguyên mẫu của kính hiển vi âm thanh quét.
Tính năng
Có một bản chất chung, các sóng trong phạm vi nghe được, cũng như sóng siêu âm, tuân theo các quy luật vật lý. Nhưng siêu âm có một số tính năng cho phép nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học, y học và công nghệ khác nhau:
1. Bước sóng nhỏ. Đối với phạm vi siêu âm thấp nhất, nó không vượt quá vài cm, gây ra bản chất tia của quá trình truyền tín hiệu. Đồng thời, làn sóngtập trung và lan truyền bởi chùm tuyến tính.
2. Chu kỳ dao động không đáng kể, do đó siêu âm có thể được phát ra dưới dạng xung.
3. Trong các môi trường khác nhau, dao động siêu âm có bước sóng không quá 10 mm có các tính chất tương tự như tia sáng, có khả năng tập trung dao động, tạo thành bức xạ có hướng, nghĩa là không chỉ truyền năng lượng theo đúng hướng mà còn tập trung năng lượng theo hướng khối lượng yêu cầu.
4. Với biên độ nhỏ, có thể thu được các giá trị năng lượng rung động cao, có thể tạo ra các trường và chùm sóng siêu âm năng lượng cao mà không cần sử dụng thiết bị lớn.
5. Dưới tác động của sóng siêu âm đối với môi trường, có nhiều tác dụng vật lý, sinh học, hóa học và y học cụ thể như:
- tán;
- cavitation;
- khử khí;
- sưởi ấm cục bộ;
- khử trùng và hơn thế nữa. những người khác
Lượt xem
Tất cả các tần số siêu âm được chia thành ba loại:
- ULF - thấp, với dải tần từ 20 đến 100 kHz;
- MF - tầm trung - từ 0,1 đến 10 MHz;
- UZVCh - tần số cao - từ 10 đến 1000 MHz.
Ngày nay, ứng dụng thực tế của sóng siêu âm chủ yếu là sử dụng sóng cường độ thấp để đo, kiểm soát và nghiên cứu cấu trúc bên trong của các vật liệu và sản phẩm khác nhau. Tần số cao được sử dụng để tác động tích cực đến các chất khác nhau, cho phép bạn thay đổi đặc tính của chúngvà cấu trúc. Chẩn đoán và điều trị nhiều bệnh bằng sóng siêu âm (sử dụng các tần số khác nhau) là một lĩnh vực riêng biệt và đang phát triển tích cực của y học hiện đại.
Nó áp dụng ở đâu?
Trong những thập kỷ gần đây, không chỉ các nhà lý thuyết khoa học quan tâm đến siêu âm mà còn cả các nhà thực hành đang ngày càng đưa nó vào nhiều dạng hoạt động khác nhau của con người. Ngày nay các đơn vị siêu âm được sử dụng cho:
| Lấy thông tin về chất và nguyên liệu | Sự kiện | Tần số tính bằng kHz | ||
| từ | đến | |||
| Nghiên cứu về thành phần và tính chất của các chất | thân rắn | 10 | 106 | |
| chất lỏng | 103 | 105 | ||
| khí | 10 | 103 | ||
| Kiểm soát kích thước và mức độ | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Nội soi khuyết tật | 100 | 105 | ||
| Chẩn đoán y tế | 103 | 105 | ||
|
Tác động trên chất |
Hàn và mạ | 10 | 100 | |
| Hàn | 10 | 100 | ||
| Biến dạng dẻo | 10 | 100 | ||
| Gia công | 10 | 100 | ||
| Nhũ hóa | 10 | 104 | ||
| Kết tinh | 10 | 100 | ||
| Phun | 10-100 | 103-104 | ||
| Đông tụ khí dung | 1 | 100 | ||
| Tán | 10 | 100 | ||
| Làm sạch | 10 | 100 | ||
| Quy trình hóa học | 10 | 100 | ||
| Ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy | 1 | 100 | ||
| Phẫu thuật | 10 đến 100 | 103đến 104 | ||
| Trị liệu | 103 | 104 | ||
| Xử lý và quản lý tín hiệu | Đầu dò điện tử | 103 | 107 | |
| Bộ lọc | 10 | 105 | ||
| Đường trễ | 103 | 107 | ||
| Thiết bị quang học Acousto | 100 | 105 | ||
Trong thế giới ngày nay, sóng siêu âm là một công cụ công nghệ quan trọng trong các ngành công nghiệp như:
- luyện kim;
- hóa;
- nông nghiệp;
- dệt;
- thức ăn;
- dược tính;
- chế tạo máy và dụng cụ;
- hóa dầu, lọc dầu và những thứ khác.
Ngoài ra, siêu âm ngày càng được ứng dụng nhiều trong y học. Đó là những gì chúng ta sẽ nói trong phần tiếp theo.
Sử dụng trong y tế
Trong y học thực hành hiện đại, có ba lĩnh vực chính của việc sử dụng sóng siêu âm với các tần số khác nhau:
1. Chẩn đoán.
2. Trị liệu.
3. Phẫu thuật.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn từng lĩnh vực trong số ba lĩnh vực này.
Chẩn đoán
Một trong những phương pháp chẩn đoán y tế hiện đại và nhiều thông tin nhất là siêu âm. Ưu điểm chắc chắn của nó là: tác động tối thiểu đến các mô của con người và hàm lượng thông tin cao.
Như đã đề cập, siêu âm là sóng âm thanh,truyền trong môi trường đồng chất theo một đường thẳng và với tốc độ không đổi. Nếu có các khu vực có mật độ âm thanh khác nhau trên đường đi của chúng, thì một phần của dao động bị phản xạ, và phần còn lại bị khúc xạ, trong khi tiếp tục chuyển động trực tuyến của nó. Do đó, sự khác biệt về mật độ của môi trường biên càng lớn, thì càng có nhiều rung động siêu âm được phản xạ. Các phương pháp kiểm tra siêu âm hiện đại có thể được chia thành định vị và trong mờ.
Vị trí siêu âm
Trong quá trình nghiên cứu như vậy, các xung phản xạ từ ranh giới của các phương tiện truyền thông có mật độ âm thanh khác nhau được ghi lại. Với sự trợ giúp của cảm biến có thể di chuyển, bạn có thể đặt kích thước, vị trí và hình dạng của đối tượng đang nghiên cứu.
Mờ
Phương pháp này dựa trên thực tế là các mô khác nhau của cơ thể con người hấp thụ sóng siêu âm khác nhau. Trong quá trình nghiên cứu bất kỳ cơ quan nội tạng nào, một sóng có cường độ nhất định sẽ được hướng vào nó, sau đó tín hiệu truyền đi được ghi lại từ mặt trái bằng một cảm biến đặc biệt. Hình ảnh của đối tượng được quét được tái tạo dựa trên sự thay đổi cường độ tín hiệu ở "đầu vào" và "đầu ra". Thông tin nhận được được máy tính xử lý và chuyển đổi dưới dạng hình ảnh tiếng vang (đường cong) hoặc hình ảnh siêu âm - hình ảnh hai chiều.
Phương pháp Doppler
Đây là phương pháp chẩn đoán đang phát triển tích cực nhất, sử dụng cả siêu âm xung và siêu âm liên tục. Dopplerography được sử dụng rộng rãi trong sản khoa, tim mạch và ung thư, vì nó cho phéptheo dõi ngay cả những thay đổi nhỏ nhất trong mao mạch và mạch máu nhỏ.
Các lĩnh vực ứng dụng chẩn đoán
Ngày nay, các phương pháp đo lường và hình ảnh siêu âm được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực y tế như:
- sản khoa;
- nhãn khoa;
- tim mạch;
- thần kinh của trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ;
- khám nội tạng:
- siêu âm thận;
- gan;
- túi mật và ống dẫn;
- hệ thống sinh sản nữ;
chẩn đoán các cơ quan bên ngoài và bề ngoài (tuyến giáp và tuyến vú)
Dùng trong trị liệu
Hiệu quả điều trị chính của sóng siêu âm là do nó có khả năng xuyên qua các mô của con người, làm nóng và làm ấm chúng, đồng thời thực hiện vi mô từng vùng riêng biệt. Siêu âm có thể được sử dụng cho cả tác động trực tiếp và gián tiếp vào trọng tâm của cơn đau. Ngoài ra, trong những điều kiện nhất định, các sóng này có tác dụng diệt khuẩn, chống viêm, giảm đau và chống co thắt. Sóng siêu âm được sử dụng cho mục đích điều trị có điều kiện được chia thành rung động cường độ cao và thấp.
Đây là sóng cường độ thấp được sử dụng rộng rãi nhất để kích thích các phản ứng sinh lý hoặc làm nóng nhẹ, không gây tổn hại. Điều trị bằng siêu âm đã cho kết quả khả quan đối với các bệnh như:
- viêm khớp;
- viêm khớp;
- đau cơ;
- viêm cột sống;
- đau dây thần kinh;
- viêm loét tĩnh mạch và dinh dưỡng;
- Viêm cột sống dính khớp;
- tiêu viêm nội mạc tử cung.
Các nghiên cứu đang được tiến hành sử dụng sóng siêu âm để điều trị bệnh Meniere, khí phế thũng, loét tá tràng và dạ dày, hen suyễn, xơ cứng tai.
Phẫu thuật siêu âm
Phẫu thuật hiện đại sử dụng sóng siêu âm được chia thành hai khu vực:
- phá hủy chọn lọc các vùng mô bằng sóng siêu âm cường độ cao được kiểm soát đặc biệt với tần số từ 106đến 107Hz;
- sử dụng dụng cụ phẫu thuật với các rung động siêu âm chồng lên nhau từ 20 đến 75 kHz.
Một ví dụ về phẫu thuật siêu âm có chọn lọc là tán sỏi bằng sóng siêu âm trong thận. Trong quá trình hoạt động không xâm lấn như vậy, một sóng siêu âm tác động lên đá xuyên qua da, tức là bên ngoài cơ thể con người.
Thật không may, phương pháp phẫu thuật này có một số hạn chế. Không sử dụng nghiền siêu âm trong các trường hợp sau:
- phụ nữ có thai bất cứ lúc nào;
- nếu đường kính của những viên đá lớn hơn hai cm;
- đối với bất kỳ bệnh truyền nhiễm nào;
- khi có các bệnh làm rối loạn quá trình đông máu bình thường;
- trong trường hợp tổn thương xương nghiêm trọng.
Mặc dù thực tế là lấy sỏi thận bằng sóng siêu âm mà không cần phẫu thuậtvết mổ, khá đau và được thực hiện dưới gây tê toàn thân hoặc cục bộ.
Dụng cụ siêu âm trong phẫu thuật không chỉ được sử dụng để giải phẫu xương và mô mềm ít đau đớn mà còn giúp giảm mất máu.
Hãy hướng sự chú ý của chúng ta về nha khoa. Siêu âm loại bỏ sỏi nha khoa ít đau hơn, và tất cả các thao tác khác của bác sĩ dễ dàng hơn nhiều. Ngoài ra, trong chấn thương và thực hành chỉnh hình, siêu âm được sử dụng để phục hồi tính toàn vẹn của xương bị gãy. Trong quá trình phẫu thuật như vậy, không gian giữa các mảnh xương được lấp đầy bằng một hợp chất đặc biệt bao gồm các mảnh xương và một loại nhựa lỏng đặc biệt, sau đó nó được chiếu qua sóng siêu âm, nhờ đó tất cả các thành phần được kết nối chắc chắn. Những người đã trải qua can thiệp phẫu thuật trong đó siêu âm được sử dụng để lại các đánh giá khác nhau - cả tích cực và tiêu cực. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng vẫn có nhiều bệnh nhân hài lòng hơn!
