A pesar de que el estudio de las ondas ultrasónicas comenzó hace más de cien años, solo en el último medio siglo se han vuelto ampliamente utilizadas en varios campos de la actividad humana. Esto se debe al desarrollo activo de las secciones cuántica y no lineal de la acústica, la electrónica cuántica y la física del estado sólido. Hoy en día, el ultrasonido no es solo una designación de la región de alta frecuencia de las ondas acústicas, sino toda una dirección científica en la física y la biología modernas, que está asociada con las tecnologías industriales, de información y medición, así como con los métodos diagnósticos, quirúrgicos y terapéuticos de medicina moderna.
¿Qué es esto?
Todas las ondas de sonido se pueden dividir en aquellas que son audibles para los humanos: estas son frecuencias de 16 a 18 mil Hz, y aquellas que están fuera del rango de percepción humana: infrarrojos y ultrasonidos. Se entiende por infrasonido a ondas similares al sonido, pero con frecuencias inferiores a las percibidas por el oído humano. El límite superior de la región infrasónica es de 16 Hz y el límite inferior es de 0,001 Hz.
Ultrasonido- estas también son ondas de sonido, pero solo su frecuencia es más alta que la que puede percibir el audífono humano. Por regla general, se refieren a frecuencias de 20 a 106 kHz. Su límite superior depende del medio en el que se propagan estas ondas. Entonces, en un medio gaseoso, el límite es de 106 kHz, y en sólidos y líquidos llega a 1010 kHz. Hay componentes ultrasónicos en el ruido de la lluvia, el viento o las cascadas, las descargas de rayos y el susurro de los guijarros rodados por las olas del mar. Es gracias a la capacidad de percibir y analizar las ondas ultrasónicas que las ballenas y los delfines, los murciélagos y los insectos nocturnos se orientan en el espacio.
Un poco de historia
Los primeros estudios de ultrasonido (EE. UU.) fueron realizados a principios del siglo XIX por el científico francés F. Savart, que buscaba averiguar el límite de frecuencia superior de audibilidad del audífono humano. En el futuro, científicos tan conocidos como el alemán V. Vin, el inglés F. G alton, el ruso P. Lebedev y un grupo de estudiantes se dedicaron al estudio de las ondas ultrasónicas.
En 1916, el físico francés P. Langevin, en colaboración con el científico emigrado ruso Konstantin Shilovsky, pudo usar cuarzo para recibir y emitir ultrasonidos para mediciones marinas y detectar objetos bajo el agua, lo que permitió a los investigadores crear el primer sonar, compuesto por transmisor y receptor de ultrasonidos.
En 1925, el estadounidense W. Pierce creó un dispositivo, hoy llamado interferómetro Pierce, que mide velocidades y absorción con gran precisiónUltrasonido en medios líquidos y gaseosos. En 1928, el científico soviético S. Sokolov fue el primero en utilizar ondas ultrasónicas para detectar varios defectos en los sólidos, incluidos los metálicos.
En los años 50-60 de la posguerra, con base en los desarrollos teóricos de un equipo de científicos soviéticos encabezado por L. D. Rozenberg, el ultrasonido comenzó a ser ampliamente utilizado en varios campos industriales y tecnológicos. Al mismo tiempo, gracias al trabajo de científicos británicos y estadounidenses, así como a la investigación de investigadores soviéticos como R. V. Khokhlova, V. A. Krasilnikov y muchos otros, una disciplina científica como la acústica no lineal se está desarrollando rápidamente.
Casi al mismo tiempo, se hicieron los primeros intentos estadounidenses de usar ultrasonido en medicina.
El científico soviético Sokolov, a fines de los años cuarenta del siglo pasado, desarrolló una descripción teórica de un instrumento diseñado para visualizar objetos opacos: un microscopio "ultrasónico". Basándose en estos trabajos, a mediados de los años 70, expertos de la Universidad de Stanford crearon un prototipo de microscopio acústico de barrido.
Características
Al tener una naturaleza común, las ondas del rango audible, así como las ondas ultrasónicas, obedecen a leyes físicas. Pero el ultrasonido tiene una serie de características que le permiten ser ampliamente utilizado en varios campos de la ciencia, la medicina y la tecnología:
1. Pequeña longitud de onda. Para el rango ultrasónico más bajo, no excede unos pocos centímetros, lo que provoca la naturaleza de rayo de la propagación de la señal. Al mismo tiempo, la olaenfocada y propagada por haces lineales.
2. Período de oscilación insignificante, por lo que se pueden emitir ultrasonidos en pulsos.
3. En diversos ambientes, las vibraciones ultrasónicas con una longitud de onda no superior a 10 mm tienen propiedades similares a los rayos de luz, lo que permite enfocar las vibraciones, formar radiación dirigida, es decir, no solo enviar energía en la dirección correcta, sino también concentrarla en el volumen requerido.
4. Con una amplitud pequeña, es posible obtener altos valores de energía de vibración, lo que hace posible crear campos y haces ultrasónicos de alta energía sin el uso de grandes equipos.
5. Bajo la influencia del ultrasonido en el medio ambiente, existen muchos efectos físicos, biológicos, químicos y médicos específicos, tales como:
- dispersión;
- cavitación;
- desgasificación;
- calefacción local;
- desinfección y más. otros
Vistas
Todas las frecuencias ultrasónicas se dividen en tres tipos:
- ULF - bajo, con un rango de 20 a 100 kHz;
- MF - gama media - de 0,1 a 10 MHz;
- UZVCh - alta frecuencia - de 10 a 1000 MHz.
Hoy en día, el uso práctico del ultrasonido es principalmente el uso de ondas de baja intensidad para medir, controlar y estudiar la estructura interna de varios materiales y productos. Los de alta frecuencia se utilizan para influir activamente en varias sustancias, lo que le permite cambiar sus propiedades.y estructura El diagnóstico y tratamiento de muchas enfermedades con ultrasonido (usando diferentes frecuencias) es un área separada y en desarrollo activo de la medicina moderna.
¿Dónde se aplica?
En las últimas décadas, no solo los teóricos científicos están interesados en el ultrasonido, sino también los profesionales que lo están introduciendo cada vez más en varios tipos de actividad humana. Hoy en día, las unidades ultrasónicas se utilizan para:
| Obtención de información sobre sustancias y materiales | Eventos | Frecuencia en kHz | ||
| desde | a | |||
| Investigación sobre la composición y propiedades de las sustancias | cuerpos sólidos | 10 | 106 | |
| líquidos | 103 | 105 | ||
| gases | 10 | 103 | ||
| Controlar tamaños y niveles | 10 | 103 | ||
| Sonda | 1 | 100 | ||
| Defectoscopia | 100 | 105 | ||
| Diagnóstico médico | 103 | 105 | ||
|
Impactos sobre sustancias |
Soldadura y enchapado | 10 | 100 | |
| Soldadura | 10 | 100 | ||
| Deformación plástica | 10 | 100 | ||
| Mecanizado | 10 | 100 | ||
| Emulsificación | 10 | 104 | ||
| Cristalización | 10 | 100 | ||
| Rociar | 10-100 | 103-104 | ||
| Coagulación en aerosol | 1 | 100 | ||
| Dispersión | 10 | 100 | ||
| Limpieza | 10 | 100 | ||
| Procesos químicos | 10 | 100 | ||
| Influencia en la combustión | 1 | 100 | ||
| Cirugía | 10 a 100 | 103 a 104 | ||
| Terapia | 103 | 104 | ||
| Procesamiento y gestión de señales | Transductores acustoelectrónicos | 103 | 107 | |
| Filtros | 10 | 105 | ||
| Líneas de retardo | 103 | 107 | ||
| Dispositivos acústico-ópticos | 100 | 105 | ||
En el mundo actual, el ultrasonido es una herramienta tecnológica importante en industrias como:
- metalúrgico;
- química;
- agrícola;
- textil;
- comida;
- farmacológico;
- fabricación de máquinas e instrumentos;
- petroquímica, refino y otros.
Además, la ecografía se utiliza cada vez más en medicina. De eso hablaremos en la siguiente sección.
Uso médico
En la medicina práctica moderna, hay tres áreas principales de uso del ultrasonido de varias frecuencias:
1. Diagnóstico.
2. Terapéutico.
3. Quirúrgico.
Echemos un vistazo más de cerca a cada una de estas tres áreas.
Diagnóstico
Uno de los métodos de diagnóstico médico más modernos e informativos es la ecografía. Sus indudables ventajas son: mínimo impacto en los tejidos humanos y alto contenido de información.
Como ya se mencionó, el ultrasonido son ondas de sonido,propagándose en un medio homogéneo en línea recta ya velocidad constante. Si hay áreas con diferentes densidades acústicas en su camino, entonces parte de las oscilaciones se refleja y la otra parte se refracta, mientras continúa su movimiento rectilíneo. Por lo tanto, cuanto mayor sea la diferencia en la densidad del medio límite, más vibraciones ultrasónicas se reflejarán. Los métodos modernos de examen por ultrasonido se pueden dividir en localizados y translúcidos.
Ubicación ultrasónica
En el proceso de tal estudio, se registran los pulsos reflejados desde los límites de los medios con diferentes densidades acústicas. Con la ayuda de un sensor móvil, puede establecer el tamaño, la ubicación y la forma del objeto bajo estudio.
Translúcido
Este método se basa en el hecho de que diferentes tejidos del cuerpo humano absorben el ultrasonido de manera diferente. Durante el estudio de cualquier órgano interno, se dirige una onda con cierta intensidad, después de lo cual la señal transmitida se registra desde el reverso con un sensor especial. La imagen del objeto escaneado se reproduce en función del cambio en la intensidad de la señal en la "entrada" y la "salida". La información recibida es procesada y convertida por una computadora en forma de ecograma (curva) o sonograma, una imagen bidimensional.
método Doppler
Este es el método de diagnóstico en desarrollo más activo, que utiliza ultrasonido tanto pulsado como continuo. La dopplerografía es ampliamente utilizada en obstetricia, cardiología y oncología, ya que permiteseguir incluso los cambios más pequeños en los capilares y los vasos sanguíneos pequeños.
Campos de aplicación del diagnóstico
Hoy en día, los métodos de medición y obtención de imágenes por ultrasonido son los más utilizados en campos médicos como:
- obstetricia;
- oftalmología;
- cardiología;
- neurología del recién nacido y del lactante;
- examen de órganos internos:
- ecografía renal;
- hígado;
- vesícula biliar y conductos;
- aparato reproductor femenino;
diagnóstico de órganos externos y superficiales (tiroides y glándulas mamarias)
Uso en terapia
El principal efecto terapéutico del ultrasonido se debe a su capacidad para penetrar en los tejidos humanos, calentarlos y calentarlos, y realizar micromasajes en áreas individuales. El ultrasonido se puede utilizar tanto para efectos directos como indirectos en el foco del dolor. Además, bajo ciertas condiciones, estas ondas tienen un efecto bactericida, antiinflamatorio, analgésico y antiespasmódico. El ultrasonido utilizado con fines terapéuticos se divide condicionalmente en vibraciones de alta y baja intensidad.
Son las ondas de baja intensidad las más utilizadas para estimular respuestas fisiológicas o un calentamiento leve y no dañino. El tratamiento con ultrasonido ha mostrado resultados positivos en enfermedades como:
- artritis;
- artritis;
- mialgia;
- espondilitis;
- neuralgia;
- úlceras varicosas y tróficas;
- Espondilitis anquilosante;
- endarteritis obliterante.
Se están realizando estudios que usan ultrasonido para tratar la enfermedad de Meniere, enfisema, úlceras duodenales y gástricas, asma, otosclerosis.
Cirugía ultrasónica
La cirugía moderna que utiliza ondas de ultrasonido se divide en dos áreas:
: destrucción selectiva de áreas de tejido con ondas ultrasónicas de alta intensidad controladas especiales con frecuencias de 106 a 107 Hz;
- utilizando un instrumento quirúrgico con vibraciones ultrasónicas superpuestas de 20 a 75 kHz.
Un ejemplo de cirugía selectiva por ultrasonido es la trituración de cálculos por ultrasonido en los riñones. En el proceso de una operación tan no invasiva, una onda ultrasónica actúa sobre la piedra a través de la piel, es decir, fuera del cuerpo humano.
Desafortunadamente, este método quirúrgico tiene una serie de limitaciones. No utilice trituración ultrasónica en los siguientes casos:
- mujeres embarazadas en cualquier momento;
- si el diámetro de las piedras es mayor a dos centímetros;
- para cualquier enfermedad infecciosa;
- en presencia de enfermedades que alteran la coagulación normal de la sangre;
- en caso de lesiones óseas graves.
A pesar de que la extracción de cálculos renales por ultrasonido se realiza sin operarincisiones, es bastante doloroso y se realiza bajo anestesia general o local.
Los instrumentos ultrasónicos quirúrgicos se utilizan no solo para una disección menos dolorosa de huesos y tejidos blandos, sino también para reducir la pérdida de sangre.
Dirigamos nuestra atención hacia la odontología. El ultrasonido elimina los cálculos dentales con menos dolor y todas las demás manipulaciones del médico son mucho más fáciles de soportar. Además, en la práctica traumatológica y ortopédica, el ultrasonido se utiliza para restaurar la integridad de los huesos rotos. Durante tales operaciones, el espacio entre los fragmentos óseos se llena con un compuesto especial que consiste en astillas de hueso y un plástico líquido especial, y luego se expone a ultrasonido, por lo que todos los componentes están firmemente conectados. Aquellos que se han sometido a intervenciones quirúrgicas durante las cuales se utilizó ultrasonido dejan diferentes comentarios, tanto positivos como negativos. Sin embargo, cabe señalar que todavía hay pacientes más satisfechos!
