Ultrazvukové vlnění

Z WikiSkript

Změněno.png

Ultrazvukové vlnění[upravit | editovat zdroj]

Ultrazvuk je mechanické vlnění s frekvencí větší než 20 kHz, neboli přesahující horní hladinu slyšitelnosti. Pro člověka je tedy neslyšitelný. Je však slyšitelný pro řadu živočichů (např. psy, delfíny, netopýry). Vlastnostmi se od slyšitelného zvuku a infrazvuku neliší.

Vnímání ultrazvuku[upravit | editovat zdroj]

U lidí[upravit | editovat zdroj]

Přibližné rozdělení ultrazvukového vlnění

Lidské ucho není schopné vnímat ultrazvuk, což je zapříčiněno anatomicko-fyzikálními limitacemi středního a vnitřního ucha. Horní hranice slyšitelnosti se všeobecně se vzrůstajícím věkem snižuje. U dětí může výjimečně překročit i hranici 20 kHz. Sluchový vjem z ultrazvukového vlnění může vzniknout v hlemýždi při přímém průchodu vlny přes kost (kostní vedení), aniž by prošla vnějším zvukovodem nebo středoušní dutinou.

U zvířat[upravit | editovat zdroj]

Všeobecně řečeno, existuje mnoho druhů živočichů, převážně nočních, které využívají ultrazvukového vlnění k orientaci za snížené viditelnosti (echolokace). Některé druhy mají horní hranici slyšitelnosti až téměř 180 kHz (tedy v oblasti ultrazvuku). Ultrazvukové, vysokofrekvenční píšťaly se používají například při tréninku psů.

Fyzikální podstata[upravit | editovat zdroj]

Od zdroje se ultrazvuk šíří prostředím jako vlnění, které se podle směru kmitání částic daného prostředí rozděluje na podélné vlnění, kdy se částice pohybují ve směru šíření vlnění, a vlnění příčné, kdy částice kmitají kolmo na směr šíření vlnění. V měkkých tkáních a tekutinách lidského těla se ultrazvuk šíří formou vlnění podélného. Pouze v kostech se ultrazvuk šíří také formou příčného vlnění.

Ultrazvuk se podobně jako zvuk nejlépe šíří v tuhých látkách − rychlost asi 3000 m/s, hůře v kapalinách − rychlost 1000 m/s, nejhorší šíření ultrazvuku je ve vzduchu − rychlost asi 350 m/s. Závislost rychlosti vlnění na prostředí může být potenciálním zdrojem nepřesností, pokud je použito ultrazvuku k měření vzdáleností. Pro potřeby měření v biomedicíně je tato chyba obvykle zanedbatelná.

Využití ultrazvuku[upravit | editovat zdroj]

Ultrazvukové vlnění má široké spektrum využití nejen v armádě, technologickém průmyslu, farmacii i v medicíně. Výhodami využití ultrazvuku jsou hlavně jednoduchá a bezkontaktní detekce a měření uvnitř prostorů, které bychom jinými prostředky jenom těžce zmapovali. Používají se jak spojité, tak i přerušované (pulzační) vlny. Princip využití pulzačních vln spočívá ve vysílání krátkých impulzů ultrazvukové energie. Po každém impulzu receptor signálu přijímá odraženou vlnu v krátkém časovém okně. Signál je pak vyhodnocen. Tyto metody se uplatňují např. k měření průtoku trubicí.

Existuje několik generátorů ultrazvuku:

  • Mechanické generátory, tedy např. speciální píšťaly a sirény, mají význam spíše historický.
  • Magnetostrikční generátory vytvářejí ultrazvukové vlny pomocí feromagnetické tyčinky, která je umístěna v magnetickém poli elektromagnetu napájeného střídavým proudem. Mají velký výkon, ale lze jimi generovat ultrazvuk o frekvenci jen asi do 60 kHz. Maximální frekvence je omezena především tím, že s rostoucí frekvencí roste i impedance budící cívky. Využití mají v zubním lékařství při odstraňování zubního kamene a kazu, omezeně i ve fyzikální medicíně.
  • Piezoelektrické generátory jsou nejčastěji používané generátory ultrazvuku v medicíně. Jejich fyzikální podstatou je piezoelektrický jev, tedy změna tvaru některých materiálů v elektrickém poli. Destička z vhodného materiálu (křemen, některé keramické materiály, atp.) je připojena k elektrodám se střídavým napětím. Destička tak kmitá se stejnou frekvencí jako přiložené napětí a tím mění elektrickou energii na mechanickou energii vlnění. Piezoelektrické generátory mohou generovat ultrazvuk až do desítek megahertzů.

Frekvenční pásmo 2−40 MHz je nejvhodnější pro aplikaci v medicíně, přičemž je možné rozlišovat:

  • nízkofrekvenční ultrazvuk (20−100 kHz) používaný zejména v ultrazvukové chirurgii při operačních zákrocích i na čištění nástrojů,
  • vysokofrekvenční ultrazvuk používaný ve fyzikální terapií (1−3 MHz) a v diagnostice (2−40 MHz).

Ultrazvuk v medicíně[upravit | editovat zdroj]

Nejdůležitější aplikací ultrazvuku je medicínská ultrasonografie a akustická mikroskopie. Teoretické využití těchto metod bylo vědcům zřejmé už dávno, ale praktické užití přišlo až později s vyspělejší technikou. K zobrazování předmětů v medicíně pomocí ultrazvuku se užívá mechanické vlnění s frekvencemi vyššími než 2 MHz a intenzitou méně než 1W/cm2. Pro vyšší rozlišení je vhodnější kratší vlnová délka, nevýhodou ale je menší perforace. S větší vlnovou délkou pronikne vlna hlouběji, nezachytí ale takové detaily.

S rostoucí frekvencí, tedy s klesající vlnovou délkou, je ultrazvukové vlnění ve tkáních výrazněji "absorbováno", přesněji řečeno dochází k výraznější přeměně mechanické energie mechanického vlnění na energii tepelnou, tedy k ohřevu tkání. Praktickým důsledkem je to, že ultrazvuk o velmi vysoké frekvenci (desítky až stovky megahertz) lze použít jen k vyšetření kůže. Při použití dostatečných intenzit, aby bylo i echo spolehlivě měřitelné, by docházelo k výraznému ohřevu tkání těsně pod sondou. Prakticky se hovoří o tom, že ultrazvuk o vyšších frekvencích má nižší hloubku průniku. Na druhou stranu platí, že čím vyšší je frekvence ultrazvuku, tím je rozlišovací schopnost vyšetření lepší. Dokonce ultrazvuky o frekvenci stovek megahertz se používají, i když spíše experimentálně než v klinické praxi, k zobrazení struktury tkání na úrovni téměř histologických detailů.

Princip vyšetření ultrazvukem[upravit | editovat zdroj]
  1. Metoda odrazová impulsní — sonda se přiloží na povrch a vysílá vlny ve formě krátkých impulsů, které procházejí zkoušeným materiálem, odrážejí se od rozhraní s jiným prostředím, které má jinou akustickou impedanci než studovaná tkáň, a vracejí se k sondě, kde jsou registrovány. Výhodou je použití jenom jedné sondy a možnost měření nepřístupných těles a prostorů.
  2. Metoda průchodová impulsní — používají se sondy uložené na opačných površích testovaného předmětu — vysílač a přijímač. Měříme množství energie, které se skrze materiál dostane z vysílací sondy k sondě přijímací.  

Ultrazvukové vlnění se na rozhraní pevná látka — plyn téměř zcela reflektuje. I velmi tenká vrstva plynu mezi sondou a tkání prakticky znemožní prostup vln do materiálu. Proto se prostor mezi sondou a povrchem testované látky vyplňuje kapalným nebo polotuhým materiálem, který nazýváme akustická vazba.

Vazební látkou může být vazelína, olej, glycerín, voda nebo speciální prostředky pro akustickou vazbu.

Medicínská ultrasonografie[upravit | editovat zdroj]

Je to technika založená na vlastnostech ultrazvukových vln. Pomocí ultrasonografie zobrazujeme svaly, orgány, kosti, tělesné dutiny a další struktury. Využitím moderních technologií dokáže počítač konjugovat mnoho dvourozměrných snímků a vytvořit tak 3D obraz v reálném čase. Tato diagnostická technologie je relativně finančně dostupná a lehce přenosná. Nejčastěji se využívá při zobrazování plodu v prenatálním období. V porovnaní s jinými diagnostickými zařízeními je ultrasonografie jednou z nejšetrnějších metod a pro pacienta nepředstavuje žádnou hrozbu. Ultrazvukové vyšetření má pestrou škálu využití — od lokalizace traumat až po zjišťovaní abnormalit a lézí v rozličných tkáních.

Mezi jiná využití ultrazvuku patří například čištění ultrazvukem, veterinářská diagnostika, ultrazvukové zvlhčování vzduchu, terapeutické využití — léčení zánětů pojivové tkáně, rozbíjení močových kamenů a jiných obstrukčních těles, sonochemie.

Bezpečnost[upravit | editovat zdroj]

Časté vystavení ultrazvuku s hladinou hlasitosti vyšší než 120 dB může vést ke ztrátě nebo oslabení sluchu. Vystavení 155 dB už může způsobovat tepelné zahřívaní tkání a předpokládá se, že smrtelná je již hladina přibližně 180 dB. Limit ve veřejných prostorech by měl být ideálně 70 dB při 20 kHz.

Vlastnosti[upravit | editovat zdroj]

Ultrazvuk má velmi vysokou frekvenci, a proto velmi krátkou vlnovou délku. Jeho vlnová délka je menší než vlnová délka zvuku, proto je šíření ultrazvuku méně ovlivněno ohybem. Výrazný je ale jeho odraz od překážek a skutečnost, že je méně pohlcován v kapalinách a pevných látkách.

Na rozhraní dvou tkání o různých akustických impedancích dochází k částečné změně směru šíření vln a jejich odrazu. Poměr intenzit R odražené vlny k dopadající vlně ultrazvukové lze vypočítat podle vztahu:

R = \left(\frac{Z_1 - Z_2}{Z_1 + Z_2} \right)^2

Platí:

  • R = 0, jestliže Z1 = Z2
  • R → 0, jestliže Z1 ≈ Z2
  • R → 1, jestliže Z1 ›› Z2 nebo Z2 ›› Z1

Poměr intenzit T procházející k dopadající ultrazvukové vlně lze zjistit ze vztahu T = \left(1 - R \right).

Pro ultrazvuk všeobecně platí stejná pravidla a zákonitosti jako pro jiné typy mechanického vlnění.


Zdroje[upravit | editovat zdroj]

Odkazy[upravit | editovat zdroj]

Související články[upravit | editovat zdroj]

Použitá literatura[upravit | editovat zdroj]

  • NAVRÁTIL, Leoš. Biofyzika v medicíně. 1. vydání. Praha : Manus, 2003. ISBN 80-86571-03-3

VŠB - TUO, Ultrazvukove vlny. Ostrava