Apesar de o estudo das ondas ultrassônicas ter começado há mais de cem anos, somente no último meio século elas passaram a ser amplamente utilizadas em diversos campos da atividade humana. Isso se deve ao desenvolvimento ativo das seções quânticas e não lineares da acústica, da eletrônica quântica e da física do estado sólido. Hoje, o ultrassom não é apenas uma designação da região de alta frequência das ondas acústicas, mas toda uma direção científica da física e da biologia modernas, que está associada a tecnologias industriais, de informação e medição, bem como a métodos diagnósticos, cirúrgicos e terapêuticos de medicina moderna.
O que é isso?
Todas as ondas sonoras podem ser divididas entre aquelas que são audíveis ao ser humano - são frequências de 16 a 18 mil Hz, e aquelas que estão fora do alcance da percepção humana - infravermelho e ultra-som. Infrassom é entendido como ondas semelhantes ao som, mas com frequências inferiores às percebidas pelo ouvido humano. O limite superior da região infrassônica é 16 Hz e o limite inferior é 0,001 Hz.
Ultrassom- estas também são ondas sonoras, mas apenas sua frequência é mais alta do que o aparelho auditivo humano pode perceber. Como regra, eles significam frequências de 20 a 106 kHz. Seu limite superior depende do meio em que essas ondas se propagam. Assim, em meio gasoso, o limite é de 106 kHz, e em sólidos e líquidos chega a 1010 kHz. Há componentes ultrassônicos no ruído da chuva, do vento ou das cachoeiras, nas descargas de raios e no farfalhar de seixos rolados pela onda do mar. É graças à capacidade de perceber e analisar ondas ultrassônicas que baleias e golfinhos, morcegos e insetos noturnos se orientam no espaço.
Um pouco de história
Os primeiros estudos de ultra-som (EUA) foram realizados no início do século 19 pelo cientista francês F. Savart, que buscou descobrir o limite superior de audibilidade da frequência do aparelho auditivo humano. No futuro, cientistas conhecidos como o alemão V. Vin, o inglês F. G alton, o russo P. Lebedev e um grupo de estudantes se dedicaram ao estudo das ondas ultrassônicas.
Em 1916, o físico francês P. Langevin, em colaboração com o cientista emigrante russo Konstantin Shilovsky, foi capaz de usar quartzo para receber e emitir ultrassom para medições marinhas e detectar objetos subaquáticos, o que permitiu aos pesquisadores criar o primeiro sonar, composto por transmissor e receptor de ultrassom.
Em 1925, o americano W. Pierce criou um aparelho, hoje chamado de interferômetro Pierce, que mede velocidades e absorção com grande precisãoultra-som em meios líquidos e gasosos. Em 1928, o cientista soviético S. Sokolov foi o primeiro a usar ondas ultrassônicas para detectar vários defeitos em sólidos, inclusive metálicos.
Nos anos 50-60 do pós-guerra, com base nos desenvolvimentos teóricos de uma equipe de cientistas soviéticos liderada por L. D. Rozenberg, o ultrassom começou a ser amplamente utilizado em vários campos industriais e tecnológicos. Ao mesmo tempo, graças ao trabalho de cientistas britânicos e americanos, bem como à pesquisa de pesquisadores soviéticos como R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov e muitos outros, uma disciplina científica como a acústica não linear está se desenvolvendo rapidamente.
Na mesma época, foram feitas as primeiras tentativas americanas de usar o ultrassom na medicina.
O cientista soviético Sokolov no final dos anos quarenta do século passado desenvolveu uma descrição teórica de um instrumento projetado para visualizar objetos opacos - um microscópio "ultra-sônico". Com base nesses trabalhos, em meados dos anos 70, especialistas da Universidade de Stanford criaram um protótipo de microscópio acústico de varredura.
Recursos
Tendo uma natureza comum, as ondas da faixa audível, assim como as ondas ultrassônicas, obedecem às leis físicas. Mas o ultrassom possui uma série de recursos que permitem que ele seja amplamente utilizado em vários campos da ciência, medicina e tecnologia:
1. Comprimento de onda pequeno. Para a faixa ultrassônica mais baixa, não excede alguns centímetros, causando a natureza do raio da propagação do sinal. Ao mesmo tempo, a ondafocalizado e propagado por feixes lineares.
2. Período de oscilação insignificante, devido ao qual o ultrassom pode ser emitido em pulsos.
3. Em diversos ambientes, as vibrações ultrassônicas com comprimento de onda não superior a 10 mm possuem propriedades semelhantes aos raios de luz, o que possibilita focalizar as vibrações, formar radiação direcionada, ou seja, não apenas enviar energia na direção correta, mas também concentrá-la na volume necessário.
4. Com uma pequena amplitude, é possível obter altos valores de energia de vibração, o que possibilita a criação de campos e feixes ultrassônicos de alta energia sem o uso de grandes equipamentos.
5. Sob a influência do ultrassom no meio ambiente, existem muitos efeitos físicos, biológicos, químicos e médicos específicos, como:
- dispersão;
- cavitação;
- desgaseificação;
- aquecimento local;
- desinfecção e muito mais. outros
Visualizações
Todas as frequências ultrassônicas são divididas em três tipos:
- ULF - baixo, com faixa de 20 a 100 kHz;
- MF - mid-range - de 0,1 a 10 MHz;
- UZVCh - alta frequência - de 10 a 1000 MHz.
Hoje, o uso prático do ultrassom é principalmente o uso de ondas de baixa intensidade para medir, controlar e estudar a estrutura interna de vários materiais e produtos. A alta frequência é usada para influenciar ativamente várias substâncias, o que permite alterar suas propriedadese estrutura. O diagnóstico e tratamento de muitas doenças com ultra-som (usando diferentes frequências) é uma área separada e em desenvolvimento ativo da medicina moderna.
Onde se aplica?
Nas últimas décadas, não apenas os teóricos científicos estão interessados no ultrassom, mas também os profissionais que o estão introduzindo cada vez mais em vários tipos de atividade humana. Hoje as unidades ultrassônicas são usadas para:
| Obtenção de informações sobre substâncias e materiais | Eventos | Frequência em kHz | ||
| de | para | |||
| Pesquisa sobre a composição e propriedades das substâncias | corpos sólidos | 10 | 106 | |
| líquidos | 103 | 105 | ||
| gases | 10 | 103 | ||
| Controle de tamanhos e níveis | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defectoscopia | 100 | 105 | ||
| Diagnóstico médico | 103 | 105 | ||
|
Impactos sobre substâncias |
Soldagem e chapeamento | 10 | 100 | |
| Soldagem | 10 | 100 | ||
| Deformação plástica | 10 | 100 | ||
| Usinagem | 10 | 100 | ||
| Emulsificação | 10 | 104 | ||
| Cristalização | 10 | 100 | ||
| Spray | 10-100 | 103-104 | ||
| Coagulação em aerossol | 1 | 100 | ||
| Dispersão | 10 | 100 | ||
| Limpeza | 10 | 100 | ||
| Processos químicos | 10 | 100 | ||
| Influência na combustão | 1 | 100 | ||
| Cirurgia | 10 a 100 | 103 a 104 | ||
| Terapia | 103 | 104 | ||
| Processamento e gerenciamento de sinal | Transdutores eletroeletrônicos | 103 | 107 | |
| Filtros | 10 | 105 | ||
| Linhas de atraso | 103 | 107 | ||
| Dispositivos acústico-ópticos | 100 | 105 | ||
No mundo de hoje, o ultrassom é uma importante ferramenta tecnológica em indústrias como:
- metalúrgica;
- químico;
- agrícola;
- têxtil;
- comida;
- farmacológico;
- fabricação de máquinas e instrumentos;
- petroquímica, refino e outros.
Além disso, o ultrassom está sendo cada vez mais usado na medicina. É sobre isso que falaremos na próxima seção.
Uso médico
Na medicina prática moderna, existem três áreas principais de uso do ultrassom de várias frequências:
1. Diagnóstico.
2. Terapêutica.
3. Cirúrgico.
Vamos dar uma olhada em cada uma dessas três áreas.
Diagnóstico
Um dos métodos mais modernos e informativos de diagnóstico médico é o ultrassom. Suas vantagens indiscutíveis são: impacto mínimo nos tecidos humanos e alto conteúdo de informação.
Como já mencionado, ultra-som são ondas sonoras,propagando em um meio homogêneo em linha reta e com velocidade constante. Se houver áreas com diferentes densidades acústicas em seu caminho, parte das oscilações é refletida e a outra parte é refratada, continuando seu movimento retilíneo. Assim, quanto maior a diferença na densidade do meio de fronteira, mais vibrações ultrassônicas são refletidas. Os métodos modernos de exame de ultrassom podem ser divididos em locacionais e translúcidos.
Localização ultrassônica
No processo de tal estudo, são registrados os pulsos refletidos dos limites da mídia com diferentes densidades acústicas. Com a ajuda de um sensor móvel, você pode definir o tamanho, localização e forma do objeto em estudo.
Translúcido
Este método é baseado no fato de que diferentes tecidos do corpo humano absorvem o ultrassom de forma diferente. Durante o estudo de qualquer órgão interno, uma onda com certa intensidade é direcionada para ele, após o que o sinal transmitido é registrado do lado reverso com um sensor especial. A imagem do objeto digitalizado é reproduzida com base na mudança na intensidade do sinal na "entrada" e na "saída". A informação recebida é processada e convertida por um computador na forma de ecograma (curva) ou sonograma - uma imagem bidimensional.
Método Doppler
Este é o método de diagnóstico mais ativo, que usa ultra-som pulsado e contínuo. A dopplerografia é amplamente utilizada em obstetrícia, cardiologia e oncologia, pois permiterastreie até mesmo as menores alterações nos capilares e pequenos vasos sanguíneos.
Campos de aplicação do diagnóstico
Hoje, os métodos de imagem e medição de ultrassom são mais amplamente utilizados em áreas médicas, como:
- obstetrícia;
- oftalmologia;
- cardiologia;
- neurologia do recém-nascido e do lactente;
- exame de órgãos internos:
- ultrassonografia renal;
- fígado;
- vesícula biliar e ductos;
- sistema reprodutor feminino;
diagnóstico de órgãos externos e superficiais (tireoide e glândulas mamárias)
Uso em terapia
O principal efeito terapêutico do ultrassom se deve à sua capacidade de penetrar nos tecidos humanos, aquecê-los e aquecê-los e realizar micromassagens em áreas individuais. O ultrassom pode ser usado para efeitos diretos e indiretos no foco da dor. Além disso, sob certas condições, essas ondas têm efeito bactericida, anti-inflamatório, analgésico e antiespasmódico. O ultrassom usado para fins terapêuticos é dividido condicionalmente em vibrações de alta e baixa intensidade.
São as ondas de baixa intensidade que são mais amplamente utilizadas para estimular respostas fisiológicas ou aquecimento leve e não prejudicial. O tratamento com ultrassom tem mostrado resultados positivos em doenças como:
- artrite;
- artrite;
- mialgia;
- espondilite;
- neuralgia;
- úlceras varicosas e tróficas;
- Espondilite anquilosante;
- endarterite obliterante.
Estudos em andamento que utilizam ultrassom para tratar doença de Ménière, enfisema, úlceras duodenais e gástricas, asma, otosclerose.
Cirurgia Ultrassônica
A cirurgia moderna usando ondas de ultrassom é dividida em duas áreas:
- destruição seletiva de áreas de tecido com ondas ultrassônicas de alta intensidade controladas especiais com frequências de 106 a 107 Hz;
- utilizando um instrumento cirúrgico com vibrações ultrassônicas sobrepostas de 20 a 75 kHz.
Um exemplo de cirurgia seletiva de ultra-som é o esmagamento de pedras por ultra-som nos rins. No processo de tal operação não invasiva, uma onda ultrassônica atua na pedra através da pele, ou seja, fora do corpo humano.
Infelizmente, este método cirúrgico tem uma série de limitações. Não use britagem ultrassônica nos seguintes casos:
- gestantes a qualquer momento;
- se o diâmetro das pedras for maior que dois centímetros;
- para quaisquer doenças infecciosas;
- na presença de doenças que interrompem a coagulação normal do sangue;
- em caso de lesões ósseas graves.
Apesar da remoção de cálculos renais por ultrassom ser realizada sem cirurgiaincisões, é bastante dolorosa e é realizada sob anestesia geral ou local.
Os instrumentos ultrassônicos cirúrgicos são usados não apenas para dissecção menos dolorosa de ossos e tecidos moles, mas também para reduzir a perda de sangue.
Vamos voltar nossa atenção para a odontologia. O ultra-som remove os cálculos dentários de forma menos dolorosa, e todas as outras manipulações do médico são muito mais fáceis de suportar. Além disso, no trauma e na prática ortopédica, o ultrassom é usado para restaurar a integridade dos ossos quebrados. Durante essas operações, o espaço entre os fragmentos ósseos é preenchido com um composto especial composto por lascas de osso e um plástico líquido especial e, em seguida, é exposto ao ultrassom, devido ao qual todos os componentes estão firmemente conectados. Aqueles que passaram por intervenções cirúrgicas durante as quais o ultrassom foi usado deixam comentários diferentes - positivos e negativos. No entanto, deve-se notar que ainda há pacientes mais satisfeitos!
