Meskipun studi gelombang ultrasonik dimulai lebih dari seratus tahun yang lalu, hanya setengah abad terakhir mereka telah digunakan secara luas di berbagai bidang aktivitas manusia. Hal ini disebabkan oleh perkembangan aktif dari bagian kuantum dan nonlinier akustik, dan elektronika kuantum dan fisika keadaan padat. Saat ini, ultrasound bukan hanya penunjukan wilayah frekuensi tinggi gelombang akustik, tetapi seluruh arah ilmiah dalam fisika dan biologi modern, yang dikaitkan dengan teknologi industri, informasi dan pengukuran, serta metode diagnostik, bedah, dan terapeutik pengobatan modern.
Apa ini?
Semua gelombang suara dapat dibagi menjadi yang dapat didengar oleh manusia - ini adalah frekuensi dari 16 hingga 18 ribu Hz, dan yang berada di luar jangkauan persepsi manusia - inframerah dan ultrasound. Infrasonik dipahami sebagai gelombang yang mirip dengan suara, tetapi dengan frekuensi yang lebih rendah daripada yang dirasakan oleh telinga manusia. Batas atas daerah infrasonik adalah 16 Hz, dan batas bawahnya adalah 0,001 Hz.
Ultrasound- ini juga merupakan gelombang suara, tetapi hanya frekuensinya yang lebih tinggi daripada yang dapat dirasakan oleh alat bantu dengar manusia. Sebagai aturan, itu berarti frekuensi dari 20 hingga 106 kHz. Batas atas mereka tergantung pada media di mana gelombang ini merambat. Jadi, dalam medium gas, batasnya adalah 106 kHz, dan dalam zat padat dan cair mencapai 1010 kHz. Ada komponen ultrasonik dalam kebisingan hujan, angin atau air terjun, pelepasan petir dan gemerisik kerikil yang digulung oleh gelombang laut. Berkat kemampuan untuk memahami dan menganalisis gelombang ultrasonik, paus dan lumba-lumba, kelelawar, dan serangga nokturnal menyesuaikan diri di luar angkasa.
Sedikit sejarah
Penelitian ultrasound (AS) pertama dilakukan pada awal abad ke-19 oleh ilmuwan Prancis F. Savart, yang berusaha menemukan batas frekuensi atas audibilitas alat bantu dengar manusia. Di masa depan, ilmuwan terkenal seperti V. Vin dari Jerman, F. G alton dari Inggris, P. Lebedev dari Rusia, dan sekelompok siswa terlibat dalam studi gelombang ultrasonik.
Pada tahun 1916, fisikawan Prancis P. Langevin, bekerja sama dengan ilmuwan emigran Rusia Konstantin Shilovsky, dapat menggunakan kuarsa untuk menerima dan memancarkan ultrasound untuk pengukuran laut dan mendeteksi objek bawah air, yang memungkinkan para peneliti untuk membuat yang pertama sonar, terdiri dari pemancar dan penerima ultrasound.
Pada tahun 1925, W. Pierce dari Amerika menciptakan perangkat, yang sekarang disebut interferometer Pierce, yang mengukur kecepatan dan penyerapan dengan sangat akuratUSG dalam media cair dan gas. Pada tahun 1928, ilmuwan Soviet S. Sokolov adalah orang pertama yang menggunakan gelombang ultrasonik untuk mendeteksi berbagai cacat pada benda padat, termasuk logam.
Pada 50-60-an pascaperang, berdasarkan perkembangan teoretis tim ilmuwan Soviet yang dipimpin oleh L. D. Rozenberg, ultrasound mulai digunakan secara luas di berbagai bidang industri dan teknologi. Pada saat yang sama, berkat karya ilmuwan Inggris dan Amerika, serta penelitian peneliti Soviet seperti R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov dan banyak lainnya, disiplin ilmiah seperti akustik nonlinier berkembang pesat.
Sekitar waktu yang sama, upaya Amerika pertama untuk menggunakan ultrasound dalam pengobatan dilakukan.
Ilmuwan Soviet Sokolov pada akhir empat puluhan abad terakhir mengembangkan deskripsi teoretis tentang instrumen yang dirancang untuk memvisualisasikan objek buram - mikroskop "ultrasonik". Berdasarkan karya-karya ini, pada pertengahan 70-an, para ahli dari Universitas Stanford menciptakan prototipe mikroskop akustik pemindaian.
Fitur
Memiliki sifat yang sama, gelombang dengan jangkauan yang dapat didengar, serta gelombang ultrasonik, mematuhi hukum fisika. Tetapi USG memiliki sejumlah fitur yang memungkinkan untuk digunakan secara luas di berbagai bidang ilmu pengetahuan, kedokteran dan teknologi:
1. Panjang gelombang kecil. Untuk rentang ultrasonik terendah, tidak melebihi beberapa sentimeter, menyebabkan sifat ray dari perambatan sinyal. Pada saat yang sama, gelombangdifokuskan dan disebarkan oleh balok linier.
2. Periode osilasi yang tidak signifikan, karena itu ultrasound dapat dipancarkan dalam bentuk pulsa.
3. Di berbagai lingkungan, getaran ultrasonik dengan panjang gelombang tidak melebihi 10 mm memiliki sifat yang mirip dengan sinar cahaya, yang memungkinkan untuk memfokuskan getaran, membentuk radiasi terarah, yaitu, tidak hanya mengirim energi ke arah yang benar, tetapi juga memusatkannya ke arah yang benar. volume yang dibutuhkan.
4. Dengan amplitudo kecil, dimungkinkan untuk memperoleh nilai energi getaran yang tinggi, yang memungkinkan untuk menciptakan medan dan sinar ultrasonik berenergi tinggi tanpa menggunakan peralatan besar.
5. Di bawah pengaruh ultrasound pada lingkungan, ada banyak efek fisik, biologi, kimia dan medis tertentu, seperti:
- dispersi;
- kavitasi;
- degassing;
- pemanasan lokal;
- disinfeksi dan banyak lagi. lainnya
Tampilan
Semua frekuensi ultrasonik dibagi menjadi tiga jenis:
- ULF - rendah, dengan kisaran 20 hingga 100 kHz;
- MF - rentang menengah - dari 0,1 hingga 10 MHz;
- UZVCh - frekuensi tinggi - dari 10 hingga 1000 MHz.
Saat ini, penggunaan praktis ultrasound terutama adalah penggunaan gelombang berintensitas rendah untuk mengukur, mengontrol, dan mempelajari struktur internal berbagai bahan dan produk. Frekuensi tinggi digunakan untuk secara aktif mempengaruhi berbagai zat, yang memungkinkan Anda untuk mengubah sifatnyadan struktur. Diagnosis dan pengobatan banyak penyakit dengan ultrasound (menggunakan frekuensi berbeda) adalah bidang kedokteran modern yang terpisah dan berkembang secara aktif.
Di mana itu berlaku?
Dalam beberapa dekade terakhir, tidak hanya ahli teori ilmiah yang tertarik dengan ultrasound, tetapi juga para praktisi yang semakin memperkenalkannya ke dalam berbagai jenis aktivitas manusia. Hari ini unit ultrasonik digunakan untuk:
| Mendapatkan informasi tentang zat dan bahan | Acara | Frekuensi dalam kHz | ||
| dari | ke | |||
| Penelitian tentang komposisi dan sifat zat | benda padat | 10 | 106 | |
| cairan | 103 | 105 | ||
| gas | 10 | 103 | ||
| Kontrol ukuran dan level | 10 | 103 | ||
| Sonar | 1 | 100 | ||
| Defectoscopy | 100 | 105 | ||
| Diagnostik medis | 103 | 105 | ||
|
Dampak tentang zat |
Solder dan pelapisan | 10 | 100 | |
| Pengelasan | 10 | 100 | ||
| Deformasi plastik | 10 | 100 | ||
| Pemesinan | 10 | 100 | ||
| Emulsifikasi | 10 | 104 | ||
| Kristalisasi | 10 | 100 | ||
| Semprot | 10-100 | 103-104 | ||
| Koagulasi aerosol | 1 | 100 | ||
| Dispersi | 10 | 100 | ||
| Membersihkan | 10 | 100 | ||
| Proses kimia | 10 | 100 | ||
| Pengaruh pada pembakaran | 1 | 100 | ||
| Operasi | 10 hingga 100 | 103 hingga 104 | ||
| Terapi | 103 | 104 | ||
| Pemrosesan dan manajemen sinyal | Transduser akustikoelektronik | 103 | 107 | |
| Filter | 10 | 105 | ||
| Garis tunda | 103 | 107 | ||
| Perangkat optik akustik | 100 | 105 | ||
Di dunia saat ini, ultrasound adalah alat teknologi penting dalam industri seperti:
- metalurgi;
- kimia;
- pertanian;
- tekstil;
- makanan;
- farmakologis;
- pembuatan mesin dan instrumen;
- petrokimia, pemurnian dan lain-lain.
Selain itu, ultrasound semakin banyak digunakan dalam pengobatan. Itulah yang akan kita bicarakan di bagian selanjutnya.
Penggunaan medis
Dalam pengobatan praktis modern, ada tiga area utama penggunaan ultrasound dari berbagai frekuensi:
1. Diagnostik.
2. Terapi.
3. Bedah.
Mari kita lihat lebih dekat masing-masing dari ketiga area ini.
Diagnosis
Salah satu metode diagnostik medis yang paling modern dan informatif adalah ultrasound. Keuntungannya yang tidak diragukan adalah: dampak minimal pada jaringan manusia dan kandungan informasi yang tinggi.
Seperti yang telah disebutkan, ultrasound adalah gelombang suara,merambat dalam medium homogen dalam garis lurus dan dengan kecepatan konstan. Jika ada daerah dengan kerapatan akustik yang berbeda di jalan mereka, maka sebagian dari osilasi dipantulkan, dan bagian lainnya dibiaskan, sambil melanjutkan gerakan bujursangkarnya. Dengan demikian, semakin besar perbedaan densitas media batas, semakin banyak getaran ultrasonik yang dipantulkan. Metode pemeriksaan ultrasonografi modern dapat dibagi menjadi lokasional dan translusen.
Lokasi ultrasonik
Dalam proses studi semacam itu, pulsa yang dipantulkan dari batas media dengan kerapatan akustik yang berbeda direkam. Dengan bantuan sensor bergerak, Anda dapat mengatur ukuran, lokasi, dan bentuk objek yang diteliti.
Tembus pandang
Metode ini didasarkan pada fakta bahwa jaringan tubuh manusia yang berbeda menyerap ultrasound secara berbeda. Selama mempelajari organ internal mana pun, gelombang dengan intensitas tertentu diarahkan ke dalamnya, setelah itu sinyal yang ditransmisikan direkam dari sisi sebaliknya dengan sensor khusus. Gambar objek yang dipindai direproduksi berdasarkan perubahan intensitas sinyal pada "input" dan "output". Informasi yang diterima diproses dan diubah oleh komputer dalam bentuk echogram (kurva) atau sonogram - gambar dua dimensi.
Metode Doppler
Ini adalah metode diagnostik yang paling aktif berkembang, yang menggunakan ultrasound berdenyut dan terus menerus. Dopplerografi banyak digunakan dalam kebidanan, kardiologi dan onkologi, karena memungkinkanmelacak bahkan perubahan terkecil pada kapiler dan pembuluh darah kecil.
Bidang aplikasi diagnostik
Saat ini, metode pencitraan dan pengukuran ultrasound paling banyak digunakan di bidang medis seperti:
- kebidanan;
- oftalmologi;
- kardiologi;
- neurologi bayi baru lahir dan bayi;
- pemeriksaan organ dalam:
- USG ginjal;
- hati;
- kandung empedu dan saluran;
- sistem reproduksi wanita;
diagnosis organ luar dan superfisial (kelenjar tiroid dan mammae)
Gunakan dalam terapi
Efek terapeutik utama dari ultrasound adalah karena kemampuannya untuk menembus jaringan manusia, menghangatkan dan menghangatkannya, dan melakukan pijatan mikro pada masing-masing area. Ultrasonografi dapat digunakan untuk efek langsung dan tidak langsung pada fokus nyeri. Selain itu, dalam kondisi tertentu, gelombang ini memiliki efek bakterisida, antiinflamasi, analgesik, dan antispasmodik. Ultrasound yang digunakan untuk tujuan terapeutik secara kondisional dibagi menjadi getaran intensitas tinggi dan rendah.
Ini adalah gelombang intensitas rendah yang paling banyak digunakan untuk merangsang respons fisiologis atau pemanasan ringan yang tidak merusak. Perawatan ultrasound telah menunjukkan hasil positif pada penyakit seperti:
- radang sendi;
- radang sendi;
- mialgia;
- spondilitis;
- neuralgia;
- varises dan tukak trofik;
- Spondilitis ankilosa;
- melenyapkan endarteritis.
Studi sedang dilakukan yang menggunakan ultrasound untuk mengobati penyakit Meniere, emfisema, tukak duodenum dan lambung, asma, otosklerosis.
Bedah Ultrasonik
Operasi modern menggunakan gelombang ultrasound dibagi menjadi dua area:
- secara selektif menghancurkan area jaringan dengan gelombang ultrasonik intensitas tinggi yang dikontrol khusus dengan frekuensi dari 106 hingga 107 Hz;
- menggunakan instrumen bedah dengan getaran ultrasonik dari 20 hingga 75 kHz.
Contoh operasi ultrasound selektif adalah penghancuran batu dengan ultrasound di ginjal. Dalam proses operasi non-invasif seperti itu, gelombang ultrasonik bekerja pada batu melalui kulit, yaitu di luar tubuh manusia.
Sayangnya, metode pembedahan ini memiliki sejumlah keterbatasan. Jangan gunakan penghancuran ultrasonik dalam kasus berikut:
- ibu hamil kapan saja;
- jika diameter batu lebih dari dua sentimeter;
- untuk semua penyakit menular;
- dengan adanya penyakit yang mengganggu pembekuan darah normal;
- dalam kasus lesi tulang yang parah.
Meskipun pengangkatan batu ginjal dengan USG dilakukan tanpa operasisayatan, cukup menyakitkan dan dilakukan dengan anestesi umum atau lokal.
Instrumen ultrasonik bedah digunakan tidak hanya untuk pembedahan tulang dan jaringan lunak yang tidak terlalu menyakitkan, tetapi juga untuk mengurangi kehilangan darah.
Mari kita alihkan perhatian kita pada kedokteran gigi. Ultrasonografi menghilangkan batu gigi dengan tidak terlalu menyakitkan, dan semua manipulasi dokter lain jauh lebih mudah untuk ditanggung. Selain itu, dalam praktik trauma dan ortopedi, ultrasound digunakan untuk mengembalikan integritas tulang yang patah. Selama operasi tersebut, ruang antara fragmen tulang diisi dengan senyawa khusus yang terdiri dari serpihan tulang dan plastik cair khusus, dan kemudian terkena ultrasound, yang dengannya semua komponen terhubung dengan kuat. Mereka yang telah menjalani intervensi bedah di mana ultrasound digunakan meninggalkan ulasan yang berbeda - baik positif maupun negatif. Namun, perlu dicatat bahwa masih ada pasien yang lebih puas!
