Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/46. Otázka

			46. Otázka
			Základní parametry ultrazvukového vlnění a jeho biologické účinky
			Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Vlastnosti zvuku

Zvuk je mechanické (akustické) vlnění šířící se pružným prostředím. Je vymezeno konvenčním frekvenčním rozsahem lidského ucha, tedy 16 Hz–20 kHz. Akustické vlnění s nižší frekvencí se nazývá infrazvuk, s vyšší pak ultrazvuk.

Fyzikální akustika se zabývá zákonitostmi šíření akustického vlnění včetně jejich matematického popisu a technických aplikací. Velmi hrubě lze říci, že fyzikální akustika se zabývá chováním, které lze popsat pomocí údajů jako je frekvence nebo intenzita.

Fyziologická akustika se naproti tomu zabývá spíše sluchem a řečí z fyzikálního hlediska, ovšem se zohledněním vlastností sluchových receptorů a fyziologickými účinky. Fyziologická akustika se zabývá např. studiem prahu citlivosti, prahu bolesti či vnímáním barvy tónů, zavádí nové veličiny jako je zejm. hladina intenzity.

Fyzikální vlastnosti

Frekvence

Frekvence udává počet kmitů za sekundu. Ve slyšitelné oblasti udává výšku tónu. Její převrácenou hodnotou je perioda, udává trvání jednoho kmitu.

Rychlost šíření zvukové vlny

Pro rychlost šíření akustického vlnění platí v obecném prostředí obecný vztah:

$c={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}$

kde K je modul objemové pružnosti postředí a ρ je hustota prostředí.

Pro rychlost šíření akustického vlnění v plynech platí:

$c={\sqrt {\frac {\kappa p}{\rho }}}$

kde κ je Poissonova konstanta, ρ je hustota plynu, p je tlak plynu

Pro ilustraci, rychlost zvuku se pohybuje od cca 330 m/s ve vzduchu (silně teplotně závislé), přes 1450 m/s v tuku a 1570 m/s v krvi až po 4080 m/s v lebečních kostech.

Vlnová délka

Vlna se šíří prostředím konečnou rychlostí. Vlnová délka je vlastně vzdálenost dvou maxim. S rychlostí vlny a s frekvencí je spojena vztahem:

$\lambda ={\frac {c}{f}}$

Někdy se používá převrácená hodnota vlnové délky, vlnočet (vyjadřující, kolik vln se vejde do délky 1 m), ale v akustice to není obvyklé.

Akustická rychlost

Protože je zvuk mechanickým kmitáním částic kolem rovnovážné polohy, kmitají tyto s nějakou rychlostí v.

Akustický tlak

Šířením vlny v prostředí vznikají místa s naředěním resp. nahloučením částic. Makroskopicky se to projevuje kolísáním tlaku. Velikost akustického tlaku závisí mimo jiné na hustotě prostředí, rychlosti vlny a frekvenci vlnění.

S akustickou rychlostí v je akustický tlak p spojen veličinou akustická impedance Z, která je charakteristikou prostředí:

$Z={\frac {p}{v}}$

Akustický tlak se ve výsledku pochopitelně superponuje na atmosférický tlak.

Maximální akustický tlak p_MAX je obtížně měřitelný, proto se v praxi používá, podobně jako např. v elektrotechnice, hodota tlaku efektivního. Zavedení efektivní hodnoty souvisí s přenášenou energií a matematické odvození, i když není složité, přesahuje potřeby studentů medicíny. Pro harmonické vlnění platí:

$p_{EF}={\frac {\sqrt {2}}{2}}p_{MAX}$

Ještě jednou je třeba zdůraznit, že toto platí jen pro harmonické průběhy. V případě neharmonického průběhu záleží na konkrétním měřidle, někdy může být hodnota správná, ale zejména u starších nebo špatně navržených přístrojů může být silně zavádějící.

Pro další potřeby se stanovuje prahový akustický tlak p₀ jako do jisté míry konvencí stanovená hodnota akustického tlaku, jakou ještě může lidské ucho při použití čistého tónu o frekvenci 1 kHz ještě zaregistrovat:

$p_{0}=2\cdot 10^{-5}\,Pa$

Intenzita vlnění

Intenzita vlnění (zvuku) je definována jako množství energie, které projde jednotkovou plochou kolmou na směr šíření na jednotku času.

Podobně jako u akustického tlaku, je i u intenzity vlnění zaváděna prahová intenzita I₀ jako nejnižší ještě registrovatelná intenzita čistého tónu o frekvenci 1 kHz:

$I_{0}=10^{-12}\,W\cdot m^{-2}$

Hladina intenzity zvuku

Protože intenzita běžných zvuků kolísá v rozsahu několika dekád, zavádí se logaritmická škála, která prahové intenzitě přiřadí nulovou hodnotu:

$L=10\cdot \log {\frac {I}{I_{0}}}$

Hladina intenzity vychází z poměru dvou stejných veličin a proto je v SI bezrozměrná. Pro označení takto definovaných hladin (nejen v akustice, ale i např. v elektrotechnice) se používá jednotka decibel (dB). Jednotka je pojmenovaná po skotském vědci a vynálezci prvního prakticky použitelného telefonu A. G. Bellovi, předpona deci– pak značí desetinu.

Protože je intenzita vlnění přímo úměrná druhé mocnině akustického tlaku, platí současně:

$L=20\cdot \log {\frac {p}{p_{0}}}$

Fyziologické vlastnosti

Akustické spektrum

V obecném případě není akustický signál tvořen jedním tónem o harmonickém („sinusovém“) průběhu, ale průběh má složitější tvar. Pokud je tento průběh periodický, vnímáme jej jako čistý tón. Čistý tón rozložit na součet případně různě posunutých sinusových průběhů s frekvencemi f₀, 2f₀=f₁, 3f₀f₂,... (Fourierův teorém). Vynesení amplitud těchto sinusovek za sebe představuje amplitudové spektrum akustického signálu. Takovéto spektrum se nazývá diskrétní, protože je tvořeno jen diskrétními body. Základní frekvence f₀ určuje výšku tónu. Další frekvence f₁,... se nazývají vyšší harmonické, určují barvu tónu.

Pokud zvuk není periodický, tedy pokud jde o jednorázový děj typu exploze nebo souhlásky nebo pokud jde o šum, lze na něj pohlížet jako na periodický děj s nekonečně velkou periodou a tedy nekonečně malou frekvencí. Spektrum takového neperiodického signálu je pak spojité.

Hlasitost

Protože vztah mezi intenzitou vlnění a intenzitou počitku závisí mimo jiné i na frekvenci, je třeba hodnotit pro každou frekvenci (výšku) tónu vztah individuálně. K porovnání se používají veličiny hlasitost a hladina hlastitosti, které kvantifikují případné rozdíly ve vnímané intenzitě.

Hladina hlasitosti L_N je definována pomocí srovnání s hladinou intenzity při frekvenci 1 kHz. Tón na libovolné frekvenci má právě takovou hladinu hlasitosti, jakou má hladinu intenzity zvuku tón o frekvenci 1 kHz, který vnímáme jako stejně silný. Jednotkou hladiny hlasitosti je fón (Ph).

Hlasitost N byla definována z toho důvodu, že hladina hlasitosti nekvantifikuje příliš dobře rozdíly ve vnímání. Referenčním bodem je tón o hladině intenzity 40 dB při frekvenci 1 kHz, kterému je přiřazena hodnota 1. Jednotkou hlasitosti je son. Hlasitost lze určit z hladiny hlasitosti podle následujícího vztahu:

$N=2^{\frac {L_{N}-40}{10}}$

Ve skutečnosti závisí vnímaná intenzita i na tom, zda je použit skutečně čistý tón. Při měření hlasitosti zvuků, které nemají sinusový průběh (jednobodové spektrum), je třeba dále zohlednit frekvenční závislost jednotlivých složek. Běžným přístupem je zapojení frekvenčního filtru, který v měřeném signálu přesně definovaným způsobem potlačí nevnímané složky a omezí vliv jednotlivých frekvencí.

Účinky ultrazvuku

Ultrazvuk

Mechanické účinky ultrazvuku

Energie zvukových vln roste se čtvercem frekvence, takže intenzita může dosahovat až několik desítek W.cm^-2. Zhušťování a zřeďování prostředí vede k rychlým tlakovým změnám při kmitání molekul, a je tak možné dosáhnout přetížení až 10⁵g. Absorpce ultrazvuku v kapalinách a pevných látkách je ve srovnání s absorpcí v plynech menší. Následkem zhušťování a zřeďování kapalného prostředí je kavitace, tj. vznik vakuových dutinek. Jako pseudokavitaci označujeme uvolňování plynů vázaných v roztocích v podobě bublinek. Protože plyny absorbují energii ultrazvuku více než kapaliny, vzniká v pseudokavitačních dutinkách značné teplo, které vede k expanzi a roztrhnutí pseudokavitačních dutin.

Tepelné účinky

Vznikají třením kmitajících částic prostředí a absorpcí zvukových vln. K velmi výrazné absorpci s následným uvolněním tepla dochází na rozhraní tkání s různou akustickou impedancí ultrazvuku.

Fyzikálně chemické a disperzní účinky

Účinkem ultrazvuku může dojít k excitaci molekul a tím se urychlí chemické reakce. Pomocí ultrazvuku lze připravit heterogenní směsi (jemné suspenze, emulze, pěny a aerosoly).

Chemické a elektrochemické účinky

Účinkem ultrazvuku může dojít k depolymerizaci vysokomolekulárních látek a ve vodném prostředí vznikají volné radikály. Taky může dojít k polymerizaci, zčernání fotografického materiálu a snížení elektrochemického napětí galvanických článku.

Biologické účinky

Účinky ultrazvuku na člověka a ostatní organismy nejsou ještě dostatečně prozkoumané. Všeobecně je možno říci, že intenzity 1,5 W/cm² mají biopozitivní účinky na funkci tkání. Při vyšších intenzitách (do 3 W/cm²) se účinky zvyšují, v cytoplazmě se objevují vakuoly a tukové kapičky. I toto jsou ještě změny reverzibilní. Intenzity vyšší než 3 W/cm² mají za následek irreverzibilní změny spočívající v destrukci buněčného jádra, denaturaci bílkovin tepelnými nebo chemickými účinky; tvorbu volných radikálů. To vše nakonec vede k nekróze tkáně. Mezi biologické účinky s medicinským významem patří: zvyšování prokrvení v místě aplikace a tím urychlení hojení, snižováni bolesti redukcí otekání a tvorby edému, urychlování difuse v tkáních.

Odkazy

Související články

• Ultrazvuk
• Ultrazvuk v různých prostředích a tkáních
• Diagnostické užití ultrazvuku

Externí odkazy

• Ultrazvuk (česká wikipedie)
• Ultrasound (anglická wikipedie)
• Therapeutic ultrasound (anglická wikipedie)
• Ultrazvukové vlnění

Zdroj

• NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA, et al. Medicínská biofyzika. 2010. vydání. 2005. ISBN 978-80-247-1152-2.