Ultrazvuk (UZ)
f0 nižší zvuk
vyšší zvuk
f1 < f0
f1 > f0 v
Obr. 10.1 Dopplerův jev (platí pro všechny typy mechanického vlnění, a tedy i pro zvuk) Matematicky lze Dopplerův jev popsat následující rovnicí. Označíme-li rychlost šíření ultrazvukových vln c v daném prostředí, rychlost pohybu zdroje u a rychlost pohybu pozorovatele v, potom dostaneme vztah: c±v [10.12] f '= f , cu kde f’ je pozměněná frekvence, kterou slyší pozorovatel a f je skutečná frekvence zdroje vlnění. Rovnice vyjadřuje obecný zápis Dopplerova jevu. Znaménka v čitateli a jmenovateli zlomku v rovnici určíme z teoretického vysvětlení Dopplerova jevu takto: Bude-li se pohybovat pozorovatel rychlostí v směrem ke zdroji ultrazvukového vlnění, potom pozorovatel uslyší vyšší frekvenci, než jaká je skutečná frekvence zdroje, tudíž musíme v čitateli rovnice psát znaménko „+“. Bude-li se pozorovatel pohybovat rychlostí v směrem od zdroje, pozměněná frekvence bude nižší, proto napíšeme znaménko „–“. Jestliže se bude pohybovat zdroj vlnění rychlostí u směrem k pozorovateli, potom pozorovatel uslyší vyšší frekvenci vlnění, než jaká je ve skutečnosti, a tudíž musíme ve jmenovateli rovnice psát znaménko „–“. Pokud se bude zdroj vlnění vzdalovat s rychlostí u od pozorovatele, uslyší pozorovatel nižší frekvenci vlnění, a proto musíme psát ve jmenovateli znaménko „+“. Důležité je podotknout, že Dopplerův jev nastává nejen u ultrazvukového vlnění, ale ve větší či menší míře u každého mechanického či elektromagnetického vlnění.
10.2 Výroba ultrazvuku Mechanické generátory (velmi malé ladičky, malé píšťalky) dosahují frekvence až 40 kHz. Ultrazvukové vlny se vysílají a přijímají pomocí piezoelektrických a magnetostrikčních měničů, v nichž dochází k přeměně elektrické anebo magnetické energie na mechanickou a naopak. Ke změnám dochází na úrovni molekul prostřednictvím elastických a elektromagnetických vazeb. 101 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS298180
Biofyzika
Ve stomatologii jsou využívány pro výrobu ultrazvukového vlnění magnetostrikční ultrazvukové generátory. Využívají jevu magnetostrikce: Při magnetizaci dochází k objemové a délkové změně feromagnetické tyčinky (železné nebo niklové) umístěné ve střídavém magnetickém poli elektromagnetu. Magnetostrikční generátory mají sice velký výkon, ale lze jimi generovat ultrazvuk pouze v desítkách tisíc Hz. Proto mají omezené použití, například v zubním lékařství pro odstraňování zubního kamene a kazu vznikem destruktivních kavitačních jevů na povrchu zubního kamene. Pro medicínské využití se nejčastěji získává ultrazvuk metodou, která je založena na piezoelektrickém jevu, při kterém se destičky vyříznuté z krystalu křemene (jeho piezoelektrické vlastnosti se vyskytují až do teploty 573 °C, při vyšších teplotách tuto vlastnost ztrácí) nebo z krystalu titaničnanu barnatého při stlačení na povrchu elektrizují – piezoelektrické ultrazvukové generátory. Při piezoelektrickém jevu vzniká elektrická polarizace při stlačení nebo roztažení pevného dielektrika tvořeného polárními molekulami. Na protilehlých stranách destičky z piezoelektrického dielektrika vznikají opačné náboje. Tento jev se nazývá přímý piezoelektrický jev. Jestliže naopak povrch takové destičky periodicky nabíjíme v proměnném elektrickém poli, destička se pod vlivem elektrických nábojů střídavě smršťuje a rozpíná, tj. kmitá. Tomuto jevu říkáme nepřímý piezoelektrický jev. Pružné kmity vykonává v rytmu změn napětí. Mechanická energie piezoelektrické destičky tak rozkmitává okolní prostředí. Vznikají ultrazvukové kmity o vysokých frekvencích, nejčastěji v rozsahu 1–20 MHz. Vzhledem k tomu, že ve většině zařízení se používá k výrobě a detekci ultrazvuku téhož elementu, je tento obecně označován jako ultrazvukový měnič, neboť při generování ultrazvuku mění elektrický signál na akustický a při detekci naopak akustický signál na elektrický. Měnič je umístěný v sondě, která pracuje jako vysílač i jako přijímač.
10.3 Účinky ultrazvuku Účinky ultrazvuku jsou dány absorpcí jeho energie ve tkáni. Energie absorbovaného vlnění závisí na prostředí, velikosti plochy, kam dopadá, době, po kterou trvá, a na frekvenci. Absorpce závisí na prostředí, v kapalinách a pevných látkách je ve srovnání s absorpcí v plynech menší. Absorpce, jak bylo zmíněno výše, závisí také na frekvenci, resp. vlnové délce. Obvykle roste se stoupající frekvencí.
10.3.1 Mechanické účinky S rostoucí frekvencí ultrazvuku roste i jeho energie. Zhušťování a zřeďování prostředí vede k rychlým tlakovým změnám při kmitání molekul. Rychlým střídáním tlaků v malých objemech může dojít k mechanickému porušení různých materiálů. Výsledkem zhušťování a zřeďování kapalného prostředí je kavitace, tj. vznik vakuových dutinek. Pokud se v kapalinách nacházejí plyny, mohou se uvolňovat v podobě bublinek. Protože plyny absorbují ultrazvukovou energii více než kapaliny, vzniká v plynových bublinách značné teplo, které vede k expanzi a jejich roztržení.
102 Ukázka elektronické knihy, UID: KOS298180
Ultrazvuk (UZ)
10.3.2 Tepelné účinky Tepelné účinky jsou především následkem absorpce ultrazvuku, k níž dochází rozkmitáním prostředí. K největší absorpci a tím k největšímu zahřátí dojde v plynech. Čím vyšší je frekvence ultrazvuku, tím více tepla vzniká. Značná absorpce energie nastává na rozhraní tkání s různou vodivostí ultrazvuku. Proto například při předávkování ultrazvuku se na rozhraní měkká tkáň – kost objevuje tzv. periostální bolest (ultrazvukové přístroje dělíme na diagnostické a terapeutické, „předávkování“ v diagnostice vzhledem k nízkým intenzitám ultrazvuku nehrozí).
10.3.3 Fyzikálně chemické a disperzní účinky Účinkem ultrazvuku může dojít k urychlení chemických reakcí. Ultrazvukové vlny dostatečné intenzity mají na látky drolící a rozmělňující účinek. Pomocí ultrazvuku je možné připravit velmi jemné suspenze, emulze, pěny a aerosoly (ultrazvukové inhalační přístroje), neboť ultrazvuk rozptyluje látky v jiných látkách, např. léčiva ve vodě nerozpustná. V plynech má ultrazvuk naopak účinky koagulační, kterých se využívá k čištění plynů. Částice ve vzduchu se působením ultrazvuku shlukují, čili koagulují, stávají se mnohonásobně těžší a klesají dolů.
10.3.4 Chemické a elektrochemické účinky Účinkem ultrazvukového vlnění může dojít ke štěpení některých vysokomolekulárních látek. Rovněž ultrazvuk může způsobit polymerizaci (využívá se při vytvrzování pryskyřic) nebo zčernání fotografického materiálu.
10.3.5 Biologické účinky Biologické účinky ultrazvuku jsou závislé na intenzitě, frekvenci a trvání expozice. Vznikají kombinací všech výše zmíněných účinků. Mezi nejčastěji uváděné biologické účinky mající význam v medicíně patří: zvýšení propustnosti membrán a zrychlení difuze v tkáních; zlepšení trofiky zvýšením místního krevního oběhu a zvýšením metabolismu; porušení vodivosti nervových vláken – tlumivý účinek na přenos vzruchů; analgetický a spazmolytický účinek; změna pH tkání. Po ozvučení ultrazvukem se pH zvyšuje, po nadměrné intenzitě může prudce klesnout; změkčování vazivové tkáně změněné chorobnými procesy. Všeobecně je možné říci, že podprahové dávky nevyvolávají žádnou reakci. Intenzity do 1,5 W ‧ cm–2 mají účinky na funkci tkání pozitivní. Při vyšších intenzitách (do 3 W ‧ cm–2) se v cytoplazmě objevují vakuoly a tukové kapičky. Změny jsou ještě vratné, po určité době po ozvučení se mohou upravit. Intenzity vyšší než 3 W ‧ cm–2 mají za následek změny nevratné, spočívající v destrukci buněčného jádra, denaturaci bílkovin a enzymů tepelnými nebo chemickými účinky. To vše nakonec vede k lokální nekróze tkáně.
103 Ukázka elektronické knihy