8.2 Аппаратная реализация аппаратов ультразвуковой терапии
Источником ультразвуковых волн является какое-либо тело, находящееся в колебательном движении с соответствующей частотой. Для получения ультразвука частотой в несколько десятков килогерц обычно используется явление магнитострикции, которое заключается в том, что под действием переменного магнитного поля несколько изменяется длина расположенного вдоль поля стержня из ферромагнитного материала. Это периодическое удлинение и укорочение стержня приводит в колебательное движение прилежащие к концам стержня частицы среды, в которой образуется ультразвуковая волна. В медицине для целей терапии применяется ультразвук относительно высокой частоты порядка 800—3000 кГц, который получается с помощью так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что во многих кристаллах (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) под действием электрического поля происходит некоторое взаимное смещение полярных групп атомов, составляющих основную структуру вещества, что вызывает соответствующее изменение размеров кристаллов.
Если к торцевым поверхностям пластинки, вырезанной определенным образом из кристалла кварца, с помощью электродов приложить переменное электрическое напряжение, то толщина пластинки будет поочередно уменьшаться и увеличиваться с частотой приложенного напряжения.
При уменьшении толщины пластинки в прилегающих слоях окружающей среды образуется разрежение, а при увеличении — сгущение частиц среды.
Таким образом, в результате периодического изменения толщины пластинки, называемой пьезоэлектрическим преобразователем, в среде возникает ультразвуковая волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном поверхности пластинки (рис. 8.1).
Рисунок 8.1 — Схема образования ультразвуковой волны
Ультразвуковые волны подчиняются тем же законам, что и звуковые волны. В связи с более высокой частотой и соответственно меньшей длиной волны ультразвуковые волны легче фокусируются, они сильнее поглощаются средой, чем звуковые.
Аппарат для лечения ультразвуком состоит из генератора электрических колебаний, к колебательному контуру которого подключен пьезоэлектрический преобразователь. Преобразователь выносится в отдельную головку (излучатель), соединенную кабелем с аппаратом.
Головка, схематически показанная в разрезе на рисунке 8.2, состоит из цилиндрического металлического корпуса 4, на основании 1 которого расположен пьезоэлектрический преобразователь — пластина 6. Пластина удерживается с помощью держателя 3 и пружины 7. Под держателем всегда имеется тонкая прослойка воздуха, поэтому в сторону ручки ультразвук не излучается. Амплитуда колебаний пластины, а следовательно, интенсивность ультразвуковой волны, распространяющейся от передней поверхности преобразователя, будут максимальны при совпадении собственной резонансной частоты пластинки с частотой генератора. Это условие выполняется, если толщина пластинки равна нечетному числу полуволн (при частоте 880 кГц толщина кварцевой пластинки, равная одной полуволне, составляет около 3,26 мм).
Рисунок 8.2 — Схема головки аппарата для ультразвуковой терапии
Основание 1 крепится к корпусу головки с помощью накидной гайки 5. Для того чтобы ультразвуковая волна проходила через основание (резонатор) без ослабления, толщина его должна составлять целое число полуволн (обычно, одну или две).
Корпус головки укреплен в ручке 2, с помощью которой ее держат во время процедуры. Внутри ручки проходит питающий провод от генератора. Провод через втулку 8 соединен с держателем 3, который имеет электрический контакт с преобразователем. Вторым электродом служит корпус головки, к которому присоединяется экранирующая оплетка питающего кабеля.
В последние годы в ультразвуковых терапевтических аппаратах широкое применение получили пьезопреобразователи из керамики титаната бария. Керамика титаната бария представляет собой спеченные при высокой температуре мелкие кристаллы, т. е. имеет поликристаллическую структуру. Преимуществом ее по сравнению с кварцем является дешевизна и меньшая величина напряжения, необходимая для возбуждения ультразвуковых колебаний (напряжение на кварцевой пластинке при частоте 880 кГц и интенсивности 2 Вт/см2 превышает 1500 В, напряжение же на пластинке из керамики титаната бария при той же интенсивности не более 100 В). Это позволяет упростить конструкцию и схему аппарата, в частности, применить для питания головки гибкий низковольтный кабель.
Воздействие ультразвуком на ткани организма осуществляется обычно непосредственно путем приложения торцовой поверхности головки к области, подлежащей воздействию. Такой способ применяется при воздействии на относительно плоские поверхности мягких тканей тела и может быть как неподвижным (стабильным), так и подвижным (лабильным), при котором ультразвуковую головку плавно, массирующим движением перемещают по всей поверхности области воздействия.
При проведении процедур ультразвуковой терапии особенно большое внимание должно уделяться обеспечению хорошего акустического контакта между головкой и телом больного. Из-за значительного различия плотностей воздуха и твердых тел, а также разницы в скоростях распространения ультразвука в этих средах на границе твердого тела с воздухом происходит практически полное отражение ультразвуковой волны. Поэтому между головкой и телом больного не должно быть воздушных прослоек. Для этого поверхность облучаемого участка тела покрывают слоем промежуточной среды, обычно вазелинового масла, заполняющего все возможные воздушные промежутки между головкой и телом.
На поверхности тела сложной формы, например, стопу, воздействие ультразвуком производится через воду в ванне.
В ванну с теплой водой помещают конечность и излучатель. Излучатель или располагается неподвижно на небольшом расстоянии от поверхности тела, или его медленно и плавно перемещают над областью воздействия. Если нужно осуществить воздействие снизу, то на дне ванны устанавливают плоский металлический отражатель, направляющий волну излучателя на облучаемую поверхность.
Действие ультразвуковых колебаний на ткани организма имеет сложный механизм, в котором можно различить три основных составляющих: механическую, тепловую и химическую.
Механическое действие ультразвука, обусловленное колебаниями частиц ткани, представляет своеобразный «микромассаж» тканей. Происходящие при этом изменения взаимного пространственного расположения клеточных структур приводят к их перестройке, к сдвигам в их функциональном состоянии. Тепловое действие, связанное с поглощением энергии ультразвуковой волны, вследствие взаимного трения частиц приводит к преимущественному нагреву мышечных и особенно костных тканей.
Химическое действие ультразвука является следствием указанных механических и тепловых эффектов. Основными биохимическими сдвигами, вызываемыми ультразвуком, являются изменения интенсивности окислительных процессов, усиление процессов диффузии и др.
Дозиметрия при ультразвуковой терапии заключается в установке заданной величины интенсивности ультразвука и длительности воздействия. Интенсивность в Вт/см2 указывается, как правило, на шкале регулятора выходной мощности аппарата; обычные величины применяемых интенсивностей при подвижной методике составляют 0,5 — 1,5 Вт/ см, при неподвижной методике 0,05 — 0,3 Вт/см2.
Помимо непрерывного действия, в ультразвуковой терапии широко используется также и импульсный (прерывистый) режим воздействия. При этом длительность импульса регулируется в пределах 4—10 мс. при частоте следования 50 Гц. Средняя интенсивность колебаний в этом случае меньше указанной на шкале во столько раз, во сколько длительность импульсов меньше периода их следования.
В эксплуатации должен производиться периодический контроль калибровки шкалы регулятора интенсивности. Для этого с помощью специального прибора измеряется выходная ультразвуковая мощность аппарата. По известным значениям мощности и рабочей площади излучателя может быть определена интенсивность ультразвуковых колебаний.
Измерения мощности основаны на том, что распространяющаяся ультразвуковая волна оказывает постоянное давление на поверхность тела, препятствующего ее распространению. Величина этого давления при полном отражении от препятствия прямо пропорциональна интенсивности и обратно пропорциональна скорости распространения ультразвука. Несмотря на то, что оказываемое волной давление очень невелико (при максимальных терапевтических интенсивностях в воде или тканях тела — десятитысячные доли атмосферы), его можно измерить чувствительными приборами, которые градуируются в величинах излучаемой источником ультразвука мощности.