Лекция Акустична кавитация в течности и биологични среди



Дата31.03.2018
Размер209.27 Kb.
ТипЛекция




Лекция 5. Акустична кавитация в течности и биологични среди
Названието кавитация произхожда от латинското cavitas, което значи пустота, празнина. Най-общо кавитацията се дефинира като явление свързано с появата и активноста на газови мехурчета в обема на течноста. Кавитацията представлява активно осцилиране на съществуващите газови мехурчета в течноста както и възникването на нови мехурчета. При това те акумулират енергия от околната среда, нарастват и достигайки критичен размер се разрушават чрез бързо свиване (така наречената имплозия или взрив навътре), при което имаме много бързо освобождаване на механична енергия. При имплозията стените на мехурчето се свиват с голяма скорост и при бързото намаляване на обема в мехурчето възникват екстремални условия – температура до 104 К0 (като тази на слънцето) и налягане от хиляди атмосфери, (като това на дъното на океана). Горещата точка, която възниква на мястото на имплодиралото мехурче бързо се охлажда (порядък на микросекунди) тъй като околната течност не е загрята. Това дава скорост на промяна на температурата ΔТ/Δt от порядъка на 1010. По тази причина кавитационното мехурче се уподобява с концентратор на енергия или с микрореактор.

В реалните течности винаги съществуват микроскопични газови мехурчета, прашинки или други нееднородности, които могат да породят кавитационни мехурчета. При нормални условия съществуващите микромехурчета са «мързеливи», не нарастват и не са опасни. При падане на вътрешното налягане в течноста, под някаква критична стойност р<p*, мехурчетата коренно променят поведението си като увеличават броя си, започват да нарастват пулсирайки и да акумулират енергия. Освен съществуващите мехурчета възникват нови мехурчета там където има т.нар. зародиши (нееднородности, прашинки или други замърсители). Обикновено критичното налягане р* е приблизително равно на налягането на наситените пари на течноста рн за дадената температура т.е. р*~pн.

Стойноста на критичното налягане за възникване на кавитация силно зависи от състоянието на течноста и от външните условия. Химически чистата вода при нормално атмосферно налягане може да издържи на разтягане до 200 атм., докато обикновена чешмяна вода се разкъсва при разтягане от 4 атм. Както твърдите тела се разрушават в места където структурата има дефекти така и течностите се разкъсват (образува се газова фаза или мехурчета) в места с нееднородности или външни замърсители.

Според начина по който възникват критични области на ниско налягане в течноста, кавитацията може да се раздели на два вида:

1. Хидродинамична кавитация. Тя възниква във високоскоростни турбулентни потоци в течноста. Например близо до стеснения на тръби, в цилиндрични помпи с бутало, при обтичане на тела от течни потоци, при работа на корабните винтове и т.н

Хидродинамичната кавитация може да се обясни със закона на Бернули, който дава връзката между скороста на частиците и налягането по дадена токова линия от потока:



р +v2/2 = const (1)

От (1) се вижда, че разпределението на налягането в течноста се определя от разпределението на скоростите в потока. В места където скороста е много висока налягането е ниско и може да падне под критичната стойност и да възникне кавитация.

2. Акустична кавитация. Когато в течноста се разпространява акустична вълна с достатъчно голяма интензивност в областите на разреждане, налягането може да падне под критичното за възникване на кавитация и явлението се нарича акустична кавитация. В акустично поле с висока интензивност налягането в областите на свиване може да надвиши 100 атм.

В жива тъкан опасното въздействие на акустичната кавитация може да предизвика коаголация на червени кръвни телца, разрушаване на стените на клетките или на кръвоносните съдове, разкъсване на ДНК-молекулите и т.н.

Положително въздействие контролираната кавитация може да има както на макроскопично ниво, за терапевтично загряване, така и на микроскопично ниво, за временно повишаване пропускливоста на биомембраните, което улеснява и ускорява преминаването на лекарства в тъканите.

В областа на ниско налягане, наречена кавитационна област възникват огромен брой кавитационни мехурчета. Кавитационната област има променлива геометрия и сложна динамика поради сложния характер на движение на мехурчетата в нееднородното поле на налягането.

Упростената теория на акустичната кавитация се базира на модела на едно мехурче, което пулсира движено от променливото акустично налягане pa= p0 cost. В този случай промяната на радиуса на мехурчето  се определя от следното линейно диференциално уравнение:


(2)
Това е уравнение на линеен осцилатор (примерно маса окачена на пружина). За мехурче със среден радиус R0 в течност с плътност ефективната маса е:



m=4R30, еластичния модул е к=12R0 Ph, а движещата сила е:

F(t)= - 4R20 p0 cost.

Резонансната честота е обратно пропорционална на средния радиус на мехурчето, както се вижда от формулата:




(3)


Важни параметри на средата са хидростатичното налягане Ph и коефициента на нелинейност γ на газа в мехурчето.

По-големите мехурчета изплуват към повърхноста със скорост, определена след изравняване на подемната сила и на Стоксовата сила на триене за сфера, както следва:



(4)

По-малките мехурчета, от своя страна могат да се разтворят в течноста и да изчезнат. Поведението на едно мехурче с радиус R се определя от налягането на газовете и парите pb в мехурчето, от хидростатичното налягане ph в течноста и от повърхностното напрежение σ. Разликата между вътрешното и външното налягане върху повърхноста на мехурчето се дава от формулата:



(5)

За ненаситена течност налягането на разтворените газове е по-малко от хидростатичното налягане (pg < ph). От (5) е видно, че ph


b. Следователно налягането на газа в течноста е по-малко от налягането на газа в мехурчето (pg < ph
b) и ще започне дифузия на газ от мехурчето в течноста, в резултат на което мехурчето се разтваря и изчезва.

За да започне кавитационния процес е необходимо налягането на газовете и парите в мехурчето да е по-голямо от локалното хидростатично налягане плюс силите на повърхностно напрежение т.е.:



(6)

Различават се два режима на осцилации на мехурчето в акустично поле:



Фиг.1 Динамика на кавитационното мехурче в двата режима на кавитация


1) Равновесни осцилации – когато мехурчето осцилира в стабилен режим с добра повтаряемост. В този случай поглъщаната енергия е равна на загубите и средните размери на мехурчето остават постоянни както е показано на фиг.1а.

2) Неравновесни, инерчни осцилации – в този случай мехурчето поглъщайки акустична енергия се разширява повече отколкото се свива и размера му нараства стъпкообразно при всеки период на осцилациите (фиг.1в) и завършва с колапс (имплозия).

Съществуват две прагови стойности на налягането: една, при която възниква стабилна кавитация и друга за нестабилна кавитация. Очевидно критичното налягане за възникване на стабилна кавитация е по-малко от критичното налягане за възникване на нестабилна кавитация.

Основните процеси при нестабилно кавитационното развитие на едно мехурче са два:

1) Сравнително бавно, осцилиращо нарастване или разширяване на мехурчетато .

2) След достигане на критичен радиус се наблюдава високоскоростно свиване на мехурчето чрез имплозия.

Причините за осцилиращото нарастването на кавитационните мехурчета са различни при интензивни акустични вълни и при по-слаби акустични вълни:

а) При по-интензивни акустични вълни и при по-високи честоти:

Основния механизъм на нарастване в този случай са инерчните сили. Вътрешното налягане в мехурчето е много по-голямо от външното налягяне в течноста в полупериода на ниско акустично налягане и мехурчето бързо се разширява. Ускорените стени на разширяващото се мехурчето не успяват да се ускорят в същата степен в обратна посока при свиване, в полупериода на високо акустично налягане. Затова мехурчето не успява 100 % да възстановяви размерите си.

б) При по-слаби акустични вълни и по-ниски честоти механизмите на осцилиращо нарастване на мехурчето са по-разнообразни:

1) Насочена газова дифузия през стените на мехурчето има доминираща посока – от обема на течноста в мехурчето. Тя зависи от концентрацията на разтворения газ. Дифузионният механизъм обикновено се проявява при сравнително бавни изменения на налягането т.е. при ниски честоти в течности с голямо съдържание на газ. В полупериода на ниско акустично налягане мехурчето се разширява, концентрацията на газ намалява и затова от течноста през повърхноста в мехурчето дифундира допълнително количество газ. В полупериода на високо акустично налягане мехурчето се свива и възниква дифузия на газ обратно от мехурчето в течноста. Сега обаче повърхноста на мехурчето е по-малка и доколкото количеството дифундирал газ е пропорционално на повърхноста, е ясно че количеството газ дифундирало в мехурчето е по-голямо от количеството газ дифундирало в течноста. В резултат на такава небалансирана дифузия количеството газ в мехурчето се увеличава при всеки период. Това явление се нарича насочена дифузия и е една от причините за нарастване на мехурчето в режим на неравновесна кавитация. Средната скорост на дифузно разширение на мехурчето е:

(7)

където n e концентрацията на разтворения газ, D е коефициент на дифузия, t е времето, ρg e плътноста на газа. Скороста на този процес е малка. Например в чешмяна вода едно микроново мехурче нараства до 10-5 m за около 10 минути.

Тъй като този механизъм е пропорционален на локалната концентрация на разтворен газ, когато имаме постъпателно движение на мехурчето от област с обеднено съдържание на газ в области на пресна течност ефективноста на механизма нараства.

2) Небалансирано изпарение на течност. Този механизъм зависи от температурата Т, от налягането Р и от топлопроводноста К. Ако температурата на течноста е висока и е близка до точката на кипене тогава този механизъм е доминиращ.

В полупериода на ниско акустично налягане мехурчето се разширява и течноста се изпарява в мехурчето, което води до охлаждане на парите и на слоевете до повърхноста на мехурчето. Това предизвиква приток на топлина от обема на течноста към повърхноста на мехурчето, което още повече стимулира изпарението.

През полупериода на високо акустично налягане ситуацията е обратна. Мехурчето се свива, налягането на парите нараства и те се кондензират. Топлината се отвежда чрез топлопроводност от мехурчето към обема на течноста. Процесите отново не са балансирани поради разликата в повърхностите на разширеното и свитото мехурче. Вследствие на това имаме приток на топлинна енергия в мехурчето и то се разширява усреднено за един период.

3) Коаголация (сливане) на мехурчета. Съществува още един механизъм когато мехурчетата нарастват чрез сливане на две или повече мехурчета в едно по-голямо. В поле с нееднородно разпределение на наляганета, каквото е фокусираното акустично поле, мехурчетата освен осцилиращо извършват и постъпателно движение. При това постъпателното движение зависи от отношението на радиуса на мехурчето R спрямо радиуса R0 на резонансно мехурче, чиято собствена честота съвпада с честотата на акустичната вълна:


  • При R R0 мехурчето осцилира във фаза с промените на налягането и мигрира в област с по-високо налягане.

  • При RR0, обратно мехурчето се премества към област с ниско налягане.

Така във фокусирано акустично поле малките мехурчета ще се преместват към фокалната област, където ще се сливат в по-големи мехурчета и след като станат по-големи от резонансния размер ще бъдат изхвърлени от фокалната област. Явлението се нарича «развяващ» се поток от кавитационни мехури.

Имплозия на кавитационни мехури

Когато при нарастване радиусът на мехурчето достигне резонансната стойност R0 енергията на акустичната вълна се поглъща много ефективно тъй като имаме съвпадение на честотите на пулсации и на акустичното поле. Това води до ново рязко увеличаване размера на мехурчето, при което резонанса се нарушава и притока на енергия намалява. Без приток на енергия мехурчето става нестабилно и спонтанно се разрушава. Стените се късат, течноста нахлува и възниква имплозия с характерните високи температура и налягане. Максималната локална температура и налягане могат да се оценят със следните формули:



(7)

Тук pb е налягането в мехурчето преди имплозията, P=ph+pa е налягането в течноста, а γ=CP/CV е коефициента на нелинейност на газа в мехурчето. Вижда се че кавитацията е нелинейно явление. При γ=0 Pmax=рb т.е. няма имплозия, а температурата варира около температурата на околната среда Т0.





(а) (б)


(в)


Фиг.2 Имплозия при различни гранични условия

При имплозията поведението на мехурчето е различно в зависимост от граничните условия (фиг.2 ):

(а) В обема на течноста - свиването на кухината е симетрично поради еднаквите условия във всички посоки на средата.

(б) На границата течност-твърдо тяло. В този случай свиването е асиметрично и води до образуването на силна микроструя върху стената на кухината срещу твърдата преграда. Тази струя пробива мехурчето и се удря със висока скорост (около 400 км/час) в твърдото тяло като нанася сериозни локални поражения. С тази микроструя се обяснява разрушителното действие на кавитацията върху твърди материали с размери значително надвишаващи резонансното мехурче.

(в) В колоиден разтвор или суспензия. В случай когато частичките диспергирани в суспензията имат размери от порядъка на радиуса на резонансния мехур R0, който зависи от честотата и от течноста, виж равенство (3), частичките могат до получат при имплозия голямо ускорение и при удар една с друга могат да се слеят (или да се заварят ако са метални) тъй като в точката на удара температурата достига хиляди градуса.

Критичното налягане при което възниква кавитация зависи от параметрите характеризиращи звуковото поле и състоянието на течноста.



  • Параметри на звуковото поле: честота, амплитуда, дължина на импулса, ако акустичната вълна е импулсно модулирана.

  • Параметри, характеризиращи средата (течноста): хидростатично налягане, температура, съдържание на разтворен газ, наличие на примеси, първоначален радиус на мехурчета, ако съществуват и т.н.

Можем да обобщим че критичното налягане Рк е високо т.е. по-трудно възниква кавитация в следните случаи:

  • При ниско съдържание на разтворени газове

  • При високи честоти на акустичното поле

  • При високо хидростатично налягане

  • При ниски температури

  • При бягаща вълна в сравнение със стояща вълна

Фиг.3 Зависимост на критичното налягане от концентрацията на разтворен газ при

различни коефициенти на повърхностно напрежение на течноста:

(а) σ = 7.2 x 10-2 N m-1 (b) σ = 6.2 x 10-2 N m-1 (c) σ = 4 x 10-2 N m-1




Фиг.4 Зависимост на критичната интензивност от честотата на акустичната вълна:

(a) застояла вода ; (b) чиста вода



Методи за наблюдаване на кавитация чрез кавитационни ефекти.

  1. Акустично излъчване при кавитация

Кавитационните мехурчета действат като вторични източници на звук, чието акустично излъчване може да се измерва и анализира. Ако поставим хидрофон в близост до кавитационната област, той ще приема акустически сигнали, които могат да се анализират чрез спектроанализатор или набор от филтри за получаване на честотния спектър.

Нека да определим връзката между интензивноста на акустичната вълна, в частност праговата стойност, при която възниква кавитация, и измерения акустичен спектър (фиг.5). При ниски интензивности спектърът ще съдържа само основната честота на акустичната вълна f0. При повишаване на интензивноста спектърът става по-сложен, което може да се дължи на кавитация или други нелинейни ефекти.



Субхармоника:

Ако открием в излъчения спектър наличие на първа субхармоника f0/2 можем да считаме с голяма достоверност че в изследвания обем има кавитационна активност.



Фиг.5 Връзката между тока на възбуждане на акустичния излъчвател, съответно

акустична интензивност, и акустическите сигнали излъчвани от мехурчетата

в кавитационната зона.

Установено е експериментално, че слаба субхармоника се излъчват даже в режим на стационарна кавитация. Когато интензивноста на акустичната вълна достигне прага на нестационарна кавитация, амплитудата на субхармоничния сигнал силно нараства.

Бял шум

Ако в даден момент се затварят много кавитационни мехурчета излъчения акустичен спектър се проявява като бял шум с непрекъснат спектър, на фона на който се наблюдават пикове на субхармоники и хармоники. Амплитудите на белия шум и на основната субхармоника f0/2 рязко нарастват след достигане на праговото налягане след което следва насищане. Наличието на сигнал f0/2 в акустичния спектър е показателен за наличието на кавитация. Нещо повече, установена е добра корелация между енергията на субхармониката и биологическите повреди на клетките, облъчени in vitro. Това е един от малкото примери, при които измерването на акустична величина количествено предсказва биологически изменения. Връзката между тока на възбуждане на акустичния излъчвател и акустическите сигнали излъчвани от кавитационната зона е показана графично на фиг5. Показани са амплитудите на сигнали излъчени на основната честота, на субхармониката и на бял шум.



  1. Изменение на акустическия импеданс:

Друг интересен ефект, по който може да се съди за активноста на кавитацията е промяната на акустическия импеданс на излъчвателя, който може да намалее до 60% при активна кавитация. Намаляването на импеданса се дължи на полепналите кавитационни мехурчета върху повърхноста на излъчвателя. При това за промяната на импеданса може да се съди без да се поставя сенсор в средата, а като се измерва промяната в електрическия сигнал, който възбужда излъчвателя. Наблюдава се честотно зависимо намаление на възбуждащото напрежение.

3. Визуални наблюдения:

Визуалното наблюдение на кавитационните мехурчета, в

стационарен или нестационарен режим, е възможно само в прозрачни среди (течности) и изисква наличието на високоскоростни видеокамери или импулсна лазерна холография. Освен тези ограничения визуалното наблюдение е възможно само за ниски акустични честоти, когато резонансните размери на мехурчетата са достатъчно големи.


  1. Ултразвукова визуализация:

За наблюдение на кавитацията в непрозрачни среди, каквито са биотъканите, най-подходящи са ехо-импулсните системи за ултразвукова визуализация. Въздушните мехурчета с размер близък до резонансния разсейват много силно акустичната вълна, поради което лесно се визуализират, но за наблюдение на динамиката трябва да се използват много високи честоти на сондиращата акустична вълна. Кракът на упоено морско свинче е изследван in vivo с помощта на апаратура за акустична визуализация работеща на честота 8 MHz. Допълнително акустично облъчване е било прилагано за 5 мин експонация с честота 0.75 MHz като интензивноста се е увеличавала плавно. При интензивност 80 mW/cm2 са се появили мехурчета с диаметър около 10 микрона (по-големи от резонансните), които са изчезнали при повишаване налягането в околната среда. На фиг.6 са покани изображения преди (а) и след облъчването (b), като се вижда появата на нови източници на разсейване от кавитационни мехури. Някои от мехурите са присъствали стабилно, други са се появявали и са изчезвали. Този метод показва наличието на мехури, но не казва нищо за тяхната активност и динамика.

Фиг.6 Акустична визуализация на кавитационни мехури в тъкан

(а) преди облъчването (b) след облъчването



  1. Кавитационна ерозия и хистологичен анализ:

Веществото в кавитационната област е подложено на интензивно въздействие от различен характер: силно локално нагряване, локална ударна вълна, отделяне на газ съдържащ атомарни и йонизирани компоненти. Всичко това води до разрушаване повърхноста на твърдите тела, които са в допир с кавитационната област. Възниква така наречената кавитационна ерозия. Кавитационната ерозия може да се използва за количествена оценка на интензивноста на кавитацията по степента на разрушаване на алуминиево фолио. Механичното действие на кавитацията – ударна вълна при нестабилна кавитация или микропотоци при стабилна кавитация се използва за диспергиране на твърди частици, за почистване на повърхности, за унищожаване на микроорганизми, за извличане на ферменти от животински и растителни клетки и т.н.

Друг метод за изследване пораженията върху тъканите на млекопитаещи, предизвикани от акустична кавитация е чрез експерименти in vitro, като се наблюдават под микроскоп промените в структурата на тъканта преди и след облъчването с акустична вълна. На хистологическите срезове се е наблюдавало възникването на кухини и отверстия предизвикани от кавитационни мехурчета. Интензивноста на звука, при която се появяват първите увреждания на тъканта съвпада с интензивноста, при която възниква субхармоничния сигнал.

При изследване с мишки е наблюдавано кръвотечение предизвикано от въздействието на ултразвук, като при повишаване на външното налягане кръвотечение не се наблюдава. Това е в съгласие с факта, че високото външно налягяне повишава прага на кавитация



5. Сонохимия

Нестационарната кавитация води до засилена химическа активност като причините за това са физически (увеличаване повърхноста на реагентите поради раздробяване) и химически (формиране на активни свободни радикали). Кавитацията се придружава от следните ефекти, които влияят на химическите реакции:



  • Разкъсване на солватните структури, което променя солватацията на реагентите.

  • Сонолиза на молекули, при което се образуват свободни радикали, разкъсване на полимери, възникване на възбудени молекулни състояния.

  • На границата течност-течност се укорява преноса на вещества, усилва се действието на катализаторите и др.

  • На границата течност-газ се отделя газ от течноста или се атомизират течни малекули в газови.

Установено е че химическите реакции протичат вътре в мехурчетата и са обусловени от температурни и електрически ефекти. Основната химическа реакция в кавитационното мехурче е разцепването на водната молекула:

Свободните радикали ОН могат да влизат в допълнителни реакции, например образувани на водороден прекис:

Химическите реакции в кавитационно поле са бавни, с много малък добив на вещество и затова нямат практическо значение. Те служат главно за изясняване на кавитационните механизми, а също за индикация на нестационарната кавитация.

6. Сонолуминисценция

Сонолуминисценцията представлява излъчването на къси светлинни импулси от кавитационната област. Обяснението се дава с излъчването при високите температура и налягане, които се развиват при адиабатическото затваряне на кавитационното мехурче. Сонолуминисценцията може да се използва за изучаване физиката на нестационарната кавитация в течности, но не може да се използва в тъкани, поради тяхната непрозрачност.



Фиг. 7 Сонолуминисценция при имплозия на кавитационното мехурче

От изброените индикатори за активноста на кавитацията най-важен е сигнала на субхармониката f0/2. Този индикатор, освен че е чувствителен спрямо присъствието и нивото на активност на кавитацията, също е показателен и за степента на биологическите изменения в живите тъкани. Установено е с измервания in vitro, че степента на повреди в клетките добре корелира с пълната енергия на основната субхармоника f0/2. Когато се изследва прага на акустична кавитацията или нейната активност в биотъкани и разтвори не трябва да се забравя, че кавитацията зависи от много параметри характеризиращи средата (от чистотата на образеца, от съдържанието на газове, от вискозитета, от температурата, от налягането, от структурата) и от параметрите на звуковото поле (честота, интензивност, продължителност и коефициент на пълнеж на импулса, геометрия на акустичното поле). Затова е безсмислено да се разчита на данни проведени при специфични и вероятно различни от интересуващите ни условия. Например прага на акустична кавитация на честота 1 МHz, в различни водни среди и при различни условия може до варира на три порядъка - от 1 до 103 W/сm2

В таблица 1 са резюмирани различните директни и индиректни методи за оценяване на кавитацията в биотъкани.


Таблица 1



Метод

Възможност за приложение in vivo

Преимущества

Ограничения

Акустическо излъчване

Да

1.Чувствителен индикатор на кавитационна активност

2. Възможност за количествени измервания



Непригоден за големи обеми поради затихването в тъканите

Изменение на акустическия импеданс

Не

Чувствителен индикатор на кавитационно активност




Сонолуминисцен-ция

Не

Възможност за количествени измервания

Неприложим в непрозрачни среди

Сонохимия

Не

Възможни количествени измервания

Нежелателен за биообразци поради опасни радикали

Оптическо наблюдение

Не

Дава информация за местоположението на кавитационната област

1.Неприложим в непрозрачни среди.

2. Неприложим за високи честоти

(над 1МHz)


Ултразвукова визуализация

Да

1. Дава информация за местоположението на мехурите

2. Възможност за изследвания при високо налягане



1. Не дава информация за активноста на мехурчетата.

2. Регистрират се само мехури с размери >10мкм





Биофизически ефекти на кавитацията

Като приблизителна оценка за опасноста от кавитационни повреди в биотъканите е въведен т.нар. механичен индекс (Mechanical Index) задаван от формулата:



(8)

Тук Pmin е минималното (съответно максимално) налягане в акустичната вълна. Счита се че стойности MI<0.7 са биологически безопасни.



Нагряване от кавитация.

При подходящ размер кавитационните мехурчета могат ефективно да превръщат акустическата енергия в топлина.

Коефициентът на превръщане се дава от израза:


(9)
Нека резонансната честота е 0 = 1MHz, R0 = 3мкм, b = 0.1m, тогава =7.4 10-4 за едно мехурче. Ако имаме n мехурчета в единица обем, които осцилират независимо едно от друго произведеното количество топлина в единица обем е Q= 7.4 n 10-4 Ia [W/cm3 s]. Видно е, че даже съвсем малък брой мехурчета с подходящ размер, съответстващ на резонансния, могат съществено да усилят ефекта на хипертермия.



Разрушаване на клетки и макромолекули

Микропотоците възникващи около пулсиращото кавитационно мехурче в стационарен режим могат да разкъсат обвивката на клетката и да освободят съдържанието и без да го повредят, докато ударните вълни възникващи в нестационарна кавитация, при имплозия на мехурчето, имат по-силно механично действие и разрушават цялата клетка.

Белият дроб и неговите тъкани са особено уязвими за кавитационни процеси в УЗ поле.Експерименти проведени в бял дроб на мишка показват, че само няколко УЗ импулса с интензивност от порядъка на тази използвана в диагностичните УЗ прибори водят до увреждания на тъканта. От друга страна фетуса, включително и белия му дроб не се уврежда поради това, че в тъканите му няма кухини с въздух. Общо правило е, че трябва да се внимава за увреждания от кавитация в тъкани където може да има кухини изпълнени с въздух. За увреждания от прегряване трябва да се внимава при УЗ облъчване на тъкани с голямо поглъщане каквито са костите.

Често УЗ въздействие върху тъканите е комбинирано от кавитация и нагряване. От една страна кавитацията допринася за нагряването. От друга страна нагряването улеснява кавитационните процеси. Общ извод е, че биологическите поражения от УЗ стават по-вероятни при повишаване на температурата.

Повечето експериментални изследвания за ролята на кавитацията са правени in vitro главно в растения и насекоми. Сведенията за кавитация in vivo са оскъдни. В тъканите постъпателното движение на мехурчетата е ограничено от стените на клетките и тъканните структури. Затова кавитацията възниква и се развива по-лесно в течности или суспензии отколкото в тъкани.

Приложение на акустичната кавитация в медицината.

Има две основни групи приложения на УЗ в медицината:

А) Приложения при които живата тъкан не се разрушава или

поврежда. Примери са следните приложения:



  • сонофореза – въздействие с УЗ вълна върху мембраните на

дерматните клетки за преминаване на лекарство през кожата на пациента

  • УЗ визуализация

  • УЗ диагностика

  • активиране на ензими

  • физиотерапия-използва се температурния и механичен ефект на акустичното лъчение

В) Приложения, при които УЗ предизвиква разрушаване на

живи тъкани.



  • УЗ дезинфекция, деактивация на ензими и др.

  • УЗ хирургия, при която се унищожават ракови клетки като се предизвиква хипертермия.

  • Разрушаване на камъни в бъбреците и жлъчката с възбуждане на кантролирана ударна вълна и кавитация

КРАТЪК ИСТОРИЧЕСКИ КАЛЕНДАР НА

ИЗСЛЕДВАНИЯТА НА КАВИТАЦИЯТА



  • 1867 г. първи наблюдения на кавитация

  • 1895 г. наблюдаване на кавитация върху винтовете на корабите

  • 1917 г. първи математически модел на кавитационна имплозия (Релей), която предсказва достигането на огромни температури и налягане

  • 1927 г. първа публикация за химически ефект при кавитация (сонохимия)

  • 1933-1935 наблюдаване на сонолуминисценция

Каталог: ~tank -> MedicalAcoustics
~tank -> Програма за изчисляване на средна стойност
MedicalAcoustics -> Лекция приложение на ултразвука в терапията и в
MedicalAcoustics -> Лекция Теоретически основи на вълновата акустика
MedicalAcoustics -> Конспект Теоретически основи на вълновата акустика
MedicalAcoustics -> Лекция 11. Биологически ефекти на акустичните вълни. Акустоелектричен ефект в електролити и дисперсни системи
MedicalAcoustics -> Лекция Нелинейни акустични ефекти в течности и биосреди
MedicalAcoustics -> Лекция Методи за приемане на акустични сигнали и за измерване на


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница