УЛЬТРАЗВУК

УЛЬТРАЗВУК — упругие колебания и волны, частота к-рых превышает верхнюю границу слышимого человеком диапазона звуковых частот. Нижняя граница ультразвукового диапазона частот условна, т. к. порог слухового восприятия человека имеет значительный разброс (см. Звук, Слух, Слуховой анализатор).

В зависимости от частоты У. обладает специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения.

Многие животные воспринимают звуки значительно более высоких частот, чем человек. Так, собаки способны слышать звуки частотой до 4,4-104 гц, крысы — до 7,2* 104 гц, летучие мыши — до

11,5- К)4 гц. Животные, ведущие ночной образ жизни или живущие в темных пещерах, а также морские животные используют У. для обмена информацией и эхолокации.

В природе источниками У. могут быть землетрясения, извержения вулканов и др. Ультразвук возникает при работе ракетных двигателей, нек-рых типов станков и механизмов.

В технических целях У. получают с помощью специальных устройств — ультразвуковых преобразователей (излучателей У.). В зависимости от того, какую энергию они преобразуют, их условно делят на механические и электрические.

В механических преобразователях источником У. является механическая энергия потока газа или жидкости. Такие преобразователи (воздушные или жидкостные свистки и сирены) достаточно просты по конструкции, однако обладают широким диапазоном и нестабильностью частот, что ограничивает возможность их практического применения. В электрических преобразователях в качестве источника энергии используется электрический ток, а действие таких преобразователей основано на магнитострикцион-ном или пьезоэлектрическом явлениях.

В основе работы магнитострик-ционных преобразователей лежит способность тел из железа, никеля, их сплавов и нек-рых других материалов периодически менять свои размеры в переменном магнитном поле. Магнитострикционные излучатели обычно используют для получения ультразвука с частотами до 100 кгц. Они нашли применение в хирургии, стоматологии, фармации и др.

В основе работы пьезоэлектрических излучателей лежит способность пластинок, вырезанных определенным образом из кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли, ниоба-та лития, пьезокерамики и других материалов, изменять свои размеры под влиянием переменного электрического поля (см. Пьезоэлектрические явления). Пьезоэлектрические преобразователи используют в медицине в аппаратах для ультразвуковой терапии, ультразвуковой диагностики и др.

Действие ультразвука в биол. среде зависит от частоты У., степени его поглощения, формы ультразвукового поля и его интенсивности (т. е. средней энергии, переносимой ультразвуковой волной в единицу времени через единицу площади, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны). Интенсивность У. в Международной системе единиц (СИ) измеряют в Вт/м2. Среднюю интенсивность У., излучаемую плоским излучателем (в т. ч. медицинским), измеряют с помощью так наз. ультразвуковых весов — устройств, регистрирующих давление, к-рое оказывает ультразвуковая волна на препятствие. Интенсивность У., излучаемого разными элементами поверхности плоского излучателя, не одинакова: над центром излу

чателя интенсивность У. превышает средние значения в 2—4 раза (теоретически в 4,3 раза).

Если интенсивность У. изменяется во времени (импульсный У.), то его характеризуют средними или максимальными во времени значениями. Средняя интенсивность ультразвука (/с в) связана с максимальной (/м в) соотношением:

I = 1 —

с.в. м.В. (Г-Н)

где т — длительность импульса, t — длительность интервала между импульсами.

Скорость распространения У. в мягких биол. тканях (внутренние органы, мышцы и др.) меняется в пределах от 1450 до 1650 м/сек, в зависимости от природы и концентрации веществ в единице объема ткани. Скорость У. в костной ткани примерно 3500 м/сек. В мед. практике результаты измерения скорости У. в тканях используют для оценки состояния различных тканей, наир, степени деминерализации костной ткани.

Интенсивность У. уменьшается с увеличением расстояния от йсточ-ника излучения согласно уравнению:

Г 7 - аХ

I = /0 е i

где /0 и / — интенсивность У. в начальной и удаленной от него на х точке, а — коэффициент затухания, е — основание натуральных логарифмов. Коэффициент поглощения зависит от свойств той среды, в к-рой распространяется ультразвуковая волна, и внешних условий (температуры, давления, частоты У.). Чем выше частота ультразвуковых колебаний, тем сильнее поглощается У. в данной среде, в т. ч, в биологических тканях. Вследствие этого для воздействия на внутренние органы и ткани в физиотерапии используют У. с частотой 800—900 кгц, а в дерматологии частоту У. повышают до 2,5—3 Мгц.

Длина ультразвуковой волны X связана с частотой ультразвуковых колебаний (/) соотношением с = X f, где с — скорость распространения У. в данной среде. Для У., используемого в терапии и диагностике, Я не превышает 0,16 см. Благодаря малой длине волны У. может излучаться в виде направленного луча или фокусироваться с помощью специальных линз.

При фокусировании энергия У. концентрируется в малом объеме вещества на нек-ром расстоянии от излучателя: могут быть достигнуты интенсивности У. до величины порядка 104—105 вт/см2. Фокусированный У. используют для воздействия на отдельные нервные окончания, разрушения глубинных структур мозга или обратимого подавления отдельных функций (см. Стереотаксиче-ская нейрохирургия), разрушения новообразований в мягких тканях и др. Разработаны основы использования фокусированного У. для слухового протезирования.

У. оказывает на биол. системы комплексное воздействие — тепловое, механическое, химическое, электрофизическое. Тепло, выделяющееся в биол. среде при поглощении энергии У., может привести к местному повышению температуры тканей, изменению скоростей протекания биохим. процессов и даже к тепловым повреждениям тканей. При интенсивности У. порядка 1 от см'1 и частоте 1 Мгц за 0,5—5 мни. (в зависимости от условий теплообмена и свойств ткани) мышечная ткань может нагреться на 5 — 7°.

Механическое действие У., связанное с колебательным смещением частиц среды в ультразвуковой волне (см. Вибрация), оказывается существенным для облучаемoi’i биол. системы при интенсивности 1—2 вт/см2 и частоте 1 Мгц. когда ветчина смещения достигает порога чув-ствительности мехапорецеп т <>р ов (см.).

В жидкостях, а также в биол. тканях под влиянием непрерывного нефокусируемого У. интенсивностью св. 0,3 вт/см2 может происходить образование микропузырьков — кавитация (см.). В тканях она сопровождается образованием ряда хим. соединений (напр., перекиси водорода), свободных радикалов (см. Радикалы свободные) и др., способных вступать в реакции с макромолекулами и макромолекулярны-ми комплексами, существенно меняя их свойства. В результате заметно увеличивается проницаемость клеточных мембран.

Под действием У. в тканях возникает переменный электрический потенциал (так наз. вибропотенциал), достигающий при интенсивности У. порядка 1 вт/см2 величины, сравнимой с потенциалом клеточных мембран, что может вызвать их деполяризацию (см.) и изменение проницаемости для нек-рых ионов.

Эффективность отдельных факторов, из к-рых складывается ультразвуковое воздействие, по-разному зависит от параметров У. и условий облучения, но все они способны влиять на микроокружение клетки, менять условия транспортировки веществ через ее мембрану.

Пороговой интенсивностью биол. действия У. является такая его интенсивность, ниже к-рой не возникает изменение проницаемости клеточных мембран, а следовательно, не «запускаются» регуляционные и репаративные процесс ы в клетках, направленные на ликвидацию последствий. вызванных этими изменениями. По данным многих исследователей. этот порог составляет 0,01 вт/см2.

В нек-ром интервале более высоких интенсивностей У. (0,01—0,1 вт/см2) при кратковременном воздействии (до 10—15 мин.) видимых изменений в структуре и функциях клеток нет. Это обусловлено действием компенсаторных процессов, вызванных изменениями проницаемости клеточных мембран непосредственно во время ультразвукового облучения. Верхнюю границу этого интервала интенсивностей принимают в качестве еще одного регистрируемого порога биол. действия У. Он в среднем соответствует нижней границе терапевтического интервала интенсивностей У. и лежит в пределах 0,05—0,1 вт/см2. В определенном интервале ицтенс и в нос те Гг У., превышающих 0,1 вт.'см2, наблюдаемые биол. эффекты обратимы. Верхняя граница этого интервала совпадает, как правило, с порогом кавитации или с такими параметрами У., к-рые обеспечивают повышение температуры среды до катастрофических для биол. объекта значений.

Физ.-хим. изменения в биол. системах при ультразвуковом воздействии локальны. Вместе с тем ответ на ультразвуковое воздействие носит общий характер. Так, при действии У. на одну конечность наблюдаются изменения в другой, локальные ультразвуковые воздействия приводят к возрастанию тонуса периферических сосудов, повышению температуры всего организма и др. Организм, являясь неравновесной динамической системой со многими обратными связями и регуляторными механизмами, по-разному реагирует на непрерывное и периодическое (импульсное) ультразвуковое воздействие.

Вследствие этого в зависимости от цели ультразвукового воздействия используют У. того или иного харак тера. Так, в физиотерапии, в основном, применяют непрерывный и импульсный У. с частотой в пределах 0,8—3 Мгц и интенсивностью 0,05 — 1 вт/см2. В диагностических целях применяют У. с частотой 1--

10 Мгц в непрерывном режиме при интенсивности У., не превышающей 0,05 вт!см2, либо в импульсном режиме при интенсивности У., измеряемой десятками и сотнями вт/см2; вместе с тем средняя интенсивность У. во времени не превышает 0,01 вт/см2, что достигается применением коротких (10~6 сек.) импульсов с частотой их следования в пределах 103 импульсов в 1 сек. В ультразвуковой хирургии применяют инструменты, режущий край к-рых непрерывно колеблется с частотами 10—100 кгц и амплитудой 5 — 50 мкм. Используют также импульсный и непрерывный фокусированный У. с частотами 0,5—5 Мгц и интенсивностью в фокальной области от единиц до десятков тысяч вт/см2. Ультразвук с различными параметрами используют для обработки инфицированных ран, мытья и стерилизации хирургических инструментов и материалов, определения механической резистентности мембран эритроцитов, лейкоцитов и др.

У. используют также для фонофо-реза, т. е. введения в организм лекарственных веществ через неповрежденную кожу (фонофорез отличается от электрофореза тем, что при фонофорезе лекарственные вещества проникают внутрь клеток, тогда как при электрофорезе они концентрируются в основном не в клетках, а в межклеточном пространстве).

Профессиональные вредности при работе с ультразвуковой аппаратурой. Условия труда и характер ирофвредностей, воздействующих на л и ц, о б с л у ж 11 в а ю щ и х у л ь т р а з в у к о в ы е установки, определяете я многи ми факторами, прежде всего частотой генерируемых у л ьтразву ковы v колебаний.

В зависимости от частотной характеристики У. ультразвуковую аппаратуру делят на две основные группы: 1) установки или приборы, в к-рых используется низкочастотный У. (частота колебаний в пределах 11 — 100 кгц), применяемые для активного воздействия на вещества и различные технологические процессы (обезжиривание, очистка, сварка, пайка, лужение, механическая обработка, коагуляция аэрозолей, дегазация жидкостей, кристаллизация металлов, резка и соединение биол. тканей, стерилизация инструментов, лекарственных средств, рук и др.); 2) установки, в к-рых используется высокочастотный У. (частота колебаний в пределах 100 кгц — 1000 Мгц), применяемые для получения информации, контроля, анализа, обработки и передачи сигналов в радиоэлектронике (дефектоскопия, вискозиметрия, связь) и медицине (в диагностических или леч. целях — звуковидение, лечение различных заболеваний позвоночника, суставов, периферической нервной системы, в офтальмологии, дерматологии, гинекологии и др.).

Характерной особенностью условий труда операторов низкочастотных ультразвуковых установок является наличие воздействующего на них акустического комплекса, состоящего из высокочастотного шума и низкочастотных ультразвуковых колебаний. Помимо общего воздействия на организм низкочастотный У. оказывает локальное /действие при соприкосновении с обрабатываемыми деталями или приборами, в к-рых возбуждены колебания. Общий уровень звукового давления в слышимом и ультразвуковом диапазонах частот в большинстве случаев колеблется от 90 до 120 дб с максимумом энергии на рабочей частоте установок 18—44 кгц. Спектр шума, возникающего при работе ультразвуковых установок, включает весь звуковой, а также низкочастотный ультразвуковой диапазон частот. Интенсивность воздействующего на руки У. в период загрузки и выгрузки деталей из ультразвуковых ванн, при удержании деталей и ряде других технол. операций может достигать б—7 вт!сж2.

При обслуживании высокочастотной ультразвуковой аппаратуры операторы подвергаются воздействию У. с частотой в пределах 0,5 —

5 Мгц и интенсивностью 0.001 — 0,1 вт/см2 только при контакте источника У. с поверхностью тела. Из технологических процессов, основанных на применении высокочастотного У., наибольшее распространение получила дефектоскопия (см.).

При систематическом воздействии "У., интенсивность и время воздействия к-рого превышают предельно допустимые, могут наблюдаться функциональные изменения со стороны центральной и периферической нервной системы, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и ве с ти б у л я р н ог о а н а л и з а то р о в.

Лица, длительное время обслуживающие ультразвуковое оборудование, жалуются на головную боль, головокружения, общую слабость, быструю утомляемость, расстройство сна (бессонница ночью и сонливость днем), раздражительность, ухудшение памяти, повышенную чувствительность к звукам (гипер-акузия), боязнь яркого света; нередки жалобы диспептического характера.

К концу смены у рабочих отмечается брадикардия и гипотония, на ЭКГ выявляют брадисистолию, нарушение внутрипредсердной и внут-рижелудочковой проводимости. В крови — моноцитоз, эозинофилия, затем переходящая в эозинопению. Нередко обнаруживают снижение содержания сахара в крови, гипер-протеинемию, снижение витаминной насыщенности крови. Эти симптомы носят чаще всего нестойкий характер. В тех случаях, когда У. оказывает воздействие не только через воздух (это касается низкочастотного У.), но и контактным путем (высокочастотный У.), указанная симптоматика выражена сильнее.

При клин, исследовании диагностируется астенический или астено-вегетативный синдром (см. Астенический синдром), иногда наблюдаются диэнцефальные нарушения — потеря веса, субфебрилитет, пароксизмальные приступы типа висцеральных кризов, повышение механической возбудимости мышц, зуд и др. (см. Гипоталамический синдром). При длительной работе с ультразвуковыми дефектоскопами у операторов могут развиваться вегетативно-сосудистые нарушения в виде ангиодистонического синдрома (см. Дистония сосудистая), вегетативного полиневрита (см.), вегето-миофасцита рук и вегетативно-сосудистой дисфункции (см. А нгиотро-фоневрозы).

Общецеребральные нарушения, как правило, сочетаются с явлениями вегетативного полкневрита рук (реже ног) разной степени выраженности (пастозность, акроцианоз, гипергидроз, снижение всех видов чувствительности по типу коротких или длинных перчаток).

Лечение симптоматическое и общеукрепляющее. При наличии ранних. резко выраженных проявлений астенизации и вегетативно-сосудистых сдвигов трудоспособность сохраняется при условии постоянного наблюдения и амбулаторного лечения; целесообразно направление в профилакторий, санаторий. В отдельных случаях рекомендуется временный (на 1 — 2 мес.) перевод на работу, не связанную с воздействием У. При развитии выраженных стойких нейродинамических и нейроцир-куляторных расстройств, нарушений слуха и вестибулярного аппарата, помимо проведения соответствующего лечения в амбулаторных или стационарных условиях, рекомендуется рациональное трудоустройство, исключающее воздействие виброакусти-ческих факторов производственной среды.

В целях профилактики неблагоприятного воздействия У. на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, разработаны ГОСТ 12.1.001-83 («ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности»), «Санитарные нормы и правила при работе на промышленных ультразвуковых установках», ограничивающие уровни звукового давления в высокочастотной области звуков и ультразвуков на рабочих местах, а также «Санитарные нормы и правила при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый контактным путем на руки работающих», согласно к-рым максимальная величина ультразвука в зонах контакта рук оператора с рабочими частями приборов и установок ограничена пределом 110 дб или 0,1 emi см1 в диапазоне частот от 0,1 до 10 Мгц.

Оздоровлению условий труда лиц, подвергающихся воздействию У., в первую очередь способствуют технические мероприятия (создание автоматизированного ультразвукового оборудования и установок с дистанционным управлением). Большое значение имеет переход на маломощное оборудование, что способствует снижению интенсивности У. и шума на рабочих местах на 20— 40 дб. В тех случаях, когда снижение мощности ультразвукового оборудования противоречит интересам технологии, его необходимо оснастить звукоизолирующими устройствами (кожухами, экранами и др.), размещать в звукоизолированных помещениях или кабинах с дистанционным управлением. Профилактика контактного воздействия У. достигается путем выключения ультразвуковых генераторов в период загрузки и выгрузки деталей. При загрузке деталей следует использовать специальные приспособления (сетки, зажимы, щипцы с ручками из звукоизоляционных материалов и др.)« При проектировании ультразвуковых установок целесообразно выбирать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона частот (не ниже 22 кгц).

В тех случаях, когда по производственным причинам невозможно сни-

зить уровень шумов и интенсивности У. до предельно допустимых значений, необходимо обязательное применение средств индивидуальной защиты — противошумов (см.), двухслойных перчаток (наружные — резиновые, внутренние — хлопчатобумажные).

Большое значение имеет правильная организация режима труда и отдыха работающих. В частности, рекомендуется через каждые 11/2—2 часа работы устраивать 10—15-минутные перерывы, к-рые могут быть заполнены другими видами работ, не связанными с воздействием шумов и У.

Операторы ультразвуковых установок подлежат обязательным предварительным (при приеме на работу) и ежегодным периодическим медосмотрам (см.Медицинский осмотр).

См. также Ультразвуковая диагностика, Ультразвуковая терапия. Библиогр.: Гаврилов JT. Р. и Цирульников Е. М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине, Л., 1980, библиогр.; Журавлев А. И. и Акопян В. Б. Ультразвуковое свечение, М., 1977, библиогр.; М е л ь к у-мова А. С., Лисичкина 3. С. и Горшков С. И. Ультразвук, М., 1975, библиогр.; Молчанов Г. И. Ультразвук в фармации, М., 1980, библиогр.; Сарвазян А. П. Специфические механизмы биологического действия импульсного ультразвука, связанные с динамикой биологических систем, в кн.: Молек. и клеточная биофизика, под ред. Г. М. Франка, с. 107, М., 1977; Ч и р-кин А. А., Богданович Л. И. и У л а щ и к В. С. Ультразвук и реактивность организма, Минск, 1977, библиогр.; Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука, М., 1973; H a z-

zard D. G. a. L i t z M. L. Biological effects and characterizations of ultrasound sources, L., 1979; Hussey M. Diagnostic ultrasound, An introduction to the interactions between ultrasound and biological tissues, Glasgow, 1975; N y-b о r g W. L. Physical mechanisms for biological effects of ultrasound, based on a series of lectures delivered, Rockville, 1978. В. Б. Акопян; Г. А. Суворов (гиг.).,