Фиг. 3. 5. 4. Безоперативно лечение на мозъчен тумор чрез фокусиране върху него на няколко безопасни, нискоинтензивни ултразвукови лъча

7. В хирургията се използва ултразвук с голяма мощност за вибрационно разрушаване на тъкани, тумори, камъни в бъбреците и т.н., за безболезнено пробиване на отвори в коста, за съединяване на кости и т.н. При по-голяма интензивност от значение е и топлинният ефект на ултразвука, който причинява срязване на тъканите. Топлинното действие на ултразвука се използва в безкръвния ултразвуков скалпел. Скалпелът излъчва мощен ултразвуков лъч, тъканта под скалпела се загрява силно и белтъците денатурират. Едновременно с това, топлинно увредената тъкан се разрушава от механичното действие на ултразвука. В допълнение, денатурираните белтъци се слепват (коагулират), което запушва малките и средни кръвоносни съдове. Това силно намалява кръвотечението – хемостазен ефект.

8. В ултразвуковите соникатори (дезинтегратори) се използва ултразвук с голяма интензивност с който се лизират и убиват бактерии и клетки. Подобни уреди се използват за стерилизация на съдове и инструменти, обезмасляване и сухо миене на съдове, раздробяване на неразтворими лекарства (емулгатори) и за получаване на золи при аерозолотерапията.

9. Стеснение (плака), появило се в кръвоносни и жлъчни пътища може да се премахне, като през съдовете се прекара катетър, на чийто връх се намира миниатюрен УЗ-излъчвател. При достигане на катетъра до стеснението се включва генератора на ултразвук, който разрушава стеснението.

Инфразвукът има много голяма дължина на вълната, например при честота 3.5 Hz тя е около 100 m. Поради ниската си честота, инфразвукът се поглъща много слабо и заобикаля прегради със значителни размери. Това му позвалява да се разпространява на разстояния до няколко километра. Инфразвукът се изпозва от някои животни (слонове, крокодили, хипопотами) като средство за сигнализация.

Като правило, енергията на инфразвука се поглъща много слабо от тъканите на човешкото тяло. Това съвсем не означава, че инфразвукът е безопасен за човека. Проблемът идва от това, че собствените честоти на трептене на някои важни вътрешни органи (мозък, чер дроб, сърце) имат стойности от няколко Hz до 12 Hz, т.е., лежат в областта на инфразвуковите честоти. Ако честотата на инфразвука съвпада със собствената честота на трептене на някой важен вътрешен орган, при преминаване на този инфразразвук през човешкото тяло настъпва резонанс със съответния вътрешен орган. В случай на резонанс, енергията на инфразвука се поглъща силно и съответния орган започва да трепти принудено с нарастваща амплитуда в такт с механичната вълна. Това състояние е много опасно за здравето. Хора, попаднали в такова състояние изпитват панически страх. Най-опасен е инфразвукът с честота между 6 и 9 Hz, който се поглъща от сърцето, белия дроб и мозъка.

Крайният ефект на резонанса зависи от интензивността на инфразвука. При продължително действие на инфразвук с малка интензивност се предизвиква повръщане, шум в ушите, световъртеж и чувство на безпричинен страх. При средна и невисока интензивност се нарушава дишането и храносмилането, а при висока интензивност може да спре работата на сърцето. Инфразвук с честота 7 Hz съвпада с алфа-ритъма на мозъка и в зависимост от своята интензивност, причинява умора, страх, психотропни ефекти, нарушения на мисленето, паника. Медузите, за които инфразвукът е смъртоносно опасен, имат микроскопични органи за равновесие (уши), които възприемат инфразвук с честота между 8 - 13 Hz. Има съобщения, че при ниска интензивност, инфразвукът с честота 15-20 Hz е безопасен и оказва полезно влияние върху тъканите и органите на човек.

Когато звукова вълна с честота n и начална интензивност I_o преминава през слой с дебелина x, част от енергията на вълната се поглъща от слоя (Фиг. 3.6.1). Като резултат, преминалата вълна има понижена интензивност I, която се пресмята по формулата: I = I_o.exp (-a. x. n²). В тази формула a е коефициентът на линейно отслабване на звуковата вълна, зависещ от взаимодействието между частиците на поглъщащия слой. В сравнение с тъканите и твърдите тела, в газова среда частиците си взаимодействат по-слабо и коефициентът a има по-голяма стойност. Като следствие, звукът се поглъща много по-силно от газовите среди, отколкото от плътните среди.

От горната формула следва, че при преминаване през преграда, механичните вълни с по-висока честота ще отслабват по-силно отколкото тези с по-ниска честота. Поради това, след преминаване през човешкото тяло, инфразвукът и звукът практически няма да бъдат отслабени, докато ултразвукът ще бъде значително отслабен. Това е причината, поради която само ултразвукът може да се използва за диагностика (ултразвукова сонография) на вътрешните органи.

В среди с различен строеж и плътност r, ултразвукът се разпространява с различна скорост С. Произведението r.C се обозначава като звуково съпротивление на средата. Когато ултразвуковият лъч достигне граничната повърхност, разделяща две среди с различно звуково съпротивление, настъпва частично отражение. На фиг. 3.6.1 е показано пречупването и отражението на ултразвуков лъч на границата на две среди. Средата 1 има плътност r₁, а в нея звукът се разпространява със скорост С₁. За средата 2 тези величини са съответно r₂ и С₂. Доказано е, че ъгълът на пречупване на лъча зависи само от разликата в скоростите на разпространение С₁ и С₂, докато интензивността на отразеният лъч зависи главно от разликата в плътностите r₁ и r₂. В заключение, степента на отражение и пречупване на лъча на границата на две среди зависи от разликата в звуковите съпротивления на двете среди.


Фиг. 3. 6. 2. Външен вид на ултразвукови ехографи.

Способността на ултразвука да се отразява и поглъща от тъканите с различен строеж се използва за получаване на видим образ на вътрешните органи. Качеството на получавания образ зависи от разделителната способност – най-малкото разстояние между две точки на наблюдавания обект, които се виждат като разделени. Това разстояние е приблизително равно на l, ето защо за да се получи по-добра разделителна способност се използва ултразвук с честота от няколко MHz.

Такъв ултразвуков лъч се отразява от прегради с размерите на вътрешните органи при човек, което се използва в ултразвуковата ехография. От друга страна, такъв лъч се поглъща силно от тъканите, което представлява физичната основа на ултразвуковата сонография. Ултразвук с такава висока честота обаче има малка дълбочина на проникване (няколко см), което изисква голямо усилване на отразения сигнал.

В съвременната медицина се използват два основни ултразвукови метода за диагностика.

1. Ултразвукова ехография. На Фиг. 3.6.2 са показани съвременни ултразвукови ехографи. От този вид са ултразвуковия ехоенцефалограф с който могат да се открият тумори в мозъка и ултразвуковия скенер с който се контролира нарастването на плода в утробата.

При този метод се използва отражението на ултразвуков лъч на границата на два вида тъкани с различна структура. Най-често се използва един и същи пиезоелемент за генерация и детектиране на ултразвукова вълна, наричен ултразвукова сонда (Фиг. 3. 6. 3) Ултразвуковите сонди излъчват поредица от ултразвукови трептения, обединени в ултразвуков пакет (импулс). Продължителността на всеки импулс (около 1 ms) е много по-кратка от времето между съседните импулси, което е около 1 ms. Така, ако даден импулс срещне преграда и се отрази от нея, отразеният сигнал (ехото) се връща в сондата в момент, когато тя е в покой. В такъв случай една и съща кварцова пластинка може да работи последователно първо като излъчвател на ултразвукови импулси, после като осезател на отразеното ултразвуково ехо.

На Фиг. 3.6.4 е показано устройството на ултразвукова сонда, използвана за генерация и детектиране на ултразвуков лъч. Пиезокристалът трепти под влияние на променливо електрично напрежение, подавано по захранващия кабел (обратен пиезоелектричен ефект). Ултразвукът се излъчва като поредица от краткотрайни (1 ms) импулси, между които има продължителни (1 ms) интервали на покой. Периодът на повторение на импулсите (Т = 1 ms) е около 1000 пъти по-голям от продължителността на отделните импулси (τ = 1 ms). Това дава възможност отразения лъч да се възприеме от същия пиезоелемент и по механизма на правия пиезоефект да се превърне в електрично напрежение.

Съществуват три начина за представяне на образа при ултразвуковата ехография (Фиг. 3.6.6). При амплитудно-временната ехография (ехография А), интензивността на отразените лъчи се дава като височина на връх. Най-често обаче, интензивността на отразения сигнал се дава като яркост на светеща точка (амплитудно-яркостна ехография или ехография Б). По разстоянието между върховете (светещите точки) може да се определи дълбочината на която са разположени отразяващите повърхнини. Така се установява разположението и размерите на вътрешни органи и кухини (бъбрек, чер дроб, бял дроб, новообразувания). При ехографията М, светещите точки на екрана се развиват във вертикална посока и така се получават вертикални линии. Ако ехото се е отразило от неподвижен обект, получава се права линия, но ако ехото идва от движещ се обект (например сърдечна клапа) получава се вълнообразна линия.

2. Доплерография. Този метод за диагностика почива на т.н. ефект на Доплер. През 1842 г австрийският физик и астроном Кристиян Доплер описва явлението промяна на честотата на механичните и светлинни вълни, когато те се отразяват от движещи се предмети. Ако източникът на звука и осезателят са неподвижни един спрямо друг, звукът се приема със същата честота n_o с която е бил излъчен. Ако източникът и осезателят се движат един спрямо друг със скорост V, звукът се възприема с променена честота n при което n = n_o / (1 ± V/C), където С е скоростта на звука, а знакът + отговаря на отдалечаване, а знакът - на приближаване на осезателя към източника. Тази промяна на честотата се нарича ефект на Доплер.


Фиг. 3. 6. 6. Принцип на получаване на ехография – А, В и М. Единият от обектите е подвижен, неговото движение се вижда на ехография - М чрез вертикалната вълнообразна линия.

По същия начин, ако ултразвукът се отрази от обект движещ се със скорост V, честотите на падащия лъч и на отразения лъч ще са различни в зависимост от скоростта V на обекта. Промяната на честотата, Dn = n - n_o, се нарича доплерова честота и се дава с приблизителната формула Dn @ 2. n_o .V/C.

При ултразвуковата доплерография се определя доплеровата честота при отражение на ултразвук от движеща се тъкан (клетките на кръвта, сърдечни клапи, пулсиращо сърце на зародиш и др.). За целта се използват два пиезокристала – единият генерира, а другият приема отразения лъч (фиг. 3.6.7). Доплеровата честота има големина от 100 Hz до няколко хиляди Hz. След като се усили и преобразува в механично трептене, тя може да се чуе като звук с помощта на високоговорител. По височината на този звук се съди за скоростта на движение на кръвните клетки или на сърдечните клапи. Така може да се определи скоростта на кръвта в даден съд и наличието на стеснение на съда.


Фиг. 3. 6. 7. Принципна схема на ултразвуков скенер.

Ултразвуковата сонография се основава на различното поглъщане на ултразвука от различните тъкани, което зависи от различната плътност и строеж на тези тъкани. При този метод на диагностика през човешкото тяло се пропуска широк сноп от ултразвукови лъчи и се измерва интензивността I на преминалите лъчи. Отделните лъчи се поглъщат в различна степен, в зависимост от тъканите, през които преминават. С помощта на голям брой детектори, разположени зад тялото на пациента, се измерва отслабването на отделните лъчи и така се получава образ на вътрешните органи върху екран. Този метод за диагностика вече практически не се използва в медицинската практика.

Предимства и недостатъци на ултразвуконата диагностика. В сравнение с рентгенографията, голямо предимство на ултразвуковата диагностика е, че се използва ултразвук с ниска интензивност, който е безвреден. Засега не са установени вредни странични ефекти. При този вид диагностика не се използват контрастни вещества, които се вредни за човека, каквито се прилагат при рентгеновата, компютърната и ЯМР диагностика.

Ултразвуковата диагностика има и два съществени недостатъка. Поради извънредно голямото звуково съпротивление и ниската еластичност на костната тъкан, ултразвукът се отразява и поглъща много силно от костите. Ултразвукът има много ниска прониквателна способност в костите. Меките тъкани (мускули, сухожилия, съединителна и мастна тъкан) имат висока еластичност и по-слабо поглъщат ултразвука. От тук, ултразвукът има по-голяма прониквателна способност в органи, съставени от меки тъкани. Казаното по-горе обяснава защо ултразвукът се използва главно за диагностика на вътрешни органи, съставени от меки тъкани. По същата причина тъкани, съдържащи въздушни мехурчета (бял дроб, понякога стомах) също отразяват и поглъщат силно ултразвуковия лъч. Като следствие, костите и белият дроб (понякога и стомаха) не могат да се диагностицират с ултразвук. При пациенти, които имат повече подкожна мастна тъкан се появяват затруднения с преминаването и поглъщането на ултразвуковия лъч от тази тъкан.