Пьезоэлектрический
эффект.
Для генерации
ультразвуковых колебаний используют
пьезоэлектрический эффект. Частица вещества,
содержащая два разноименных иона, находящихся на
некотором расстоянии друг от друга, обозначается
как электрический диполь, характеризуемый
дипольным моментом; последний равен
произведению величины заряда на расстояние
между зарядами. Если дипольный момент равен нулю,
то нет и диполя. Существуют тела, которые в
обычном своем состоянии не имеют поляризации, но
приобретают ее при механическом сжатии или
растяжении. Это явление и было названо
пьезоэлектрическим эффектом. Приставка
"пьезо" по-гречески означает "давить".
Следовательно, пьезоэлектричество -
электричество, возникающее в результате
давления.
Пластина, вырезанная определенным
образом по отношению к осям кристалла кварца или
другого вещества, обладающего
пьезоэлектрическими свойствами,
характеризуется тем, что на противоположных
гранях пластинки при сжатии возникают
разноименные электрические заряды.
Если пластинку растянуть, то также
появятся электрические заряды, но знаки их будут
обратными тем, которые были при сжатии.
Попеременно сжимая и разжимая пластинку, можно
вызвать появление на ее противоположных гранях
разноименных зарядов.
Если металлизированные плоскости
пьезоэлектрической пластинки соединить с
источником переменного тока, то синхронно с
изменением полярности будет изменяться толщина
пластинки: она делается то толще, то тоньше. Это
явление носит название обратного
пьезоэлектрического эффекта.
П. Ланжевен в 1917 году возбудил при
помощи высокочастотного электромагнитного поля
вынужденные упругие колебания в кварцевых
пластинках. Если пластинка будет помещена в
жидкость, то при утолщении пластинки ее грани,
двигаясь наподобие поршня паровой машины, окажут
давление на жидкость. При сжатии пластинки,
наоборот, вблизи ее поверхности образуется
разряжение. При повторяющихся изменениях формы
пластинки в окружающей ее упругой среде
возникнут чередующиеся участки сжатия и
разряжения; при их распространении от
поверхности пластинки возникает волновой
процесс.
Изменение толщины кварцевой
пластинки весьма мало: приложение
высокочастотного напряжения 1000 Вт изменит
толщину пластинки лишь на 20 мкм. Увеличить
амплитуду колебаний пьезоэлектрической
пластинки можно, возбудив ее на резонансной
частоте собственных механических колебаний. Для
этого пластинка присоединяется к источнику
переменного тока с резонансной частотой. Когда
частота внешних колебаний совпадает с частотой
собственных колебаний системы, такое явление
называют резонансом. В тех случаях, когда тело
заставляют колебаться с резонансной частотой,
размах его колебаний делается особенно большим.
Раньше для получения пьезоэлектрического
эффекта использовали кристалл кварца, но так как
для его возбуждения нужно высокое напряжение, то
в настоящее время используют керамику из
титаната бария. Недостатком ее является то, что
ее свойства начинают изменяться при 120 - 130 оС,
поэтому головку из титаната бария нужно
охлаждать. Высокочастотное напряжение,
необходимое для возбуждения пьезоэлектрической
излучающей головки, обеспечивает специальный
генератор.
Параметры выпускаемых
ультразвуковых приборов.
Многие из выпускаемых
приборов используют ультразвук средней
интенсивности до 3 Вт/см2 и работают в
частотном диапазоне 0,75 -5 МГц. Используются либо
непрерывные, либо импульсные режимы. Импульсные
режимы выбираются главным образом в том случае,
когда хотят использовать нетепловые эффекты.
Выбор несущей частоты определяется глубиной
расположения объекта воздействия: более высокие
частоты используются для воздействия на
поверхностные области. Серийные генераторы
обычно имеют две или три фиксированные рабочие
частоты, часто с взаимозаменяемыми
преобразователями, и дают возможность плавно или
дискретно менять интенсивность. Большинство
приборов могут работать в одно- или в
двухимпульсных режимах. Наиболее часто
используются режимы - 2 мс : 2 мс (сигнал : пауза) или
2 мс : 8 мс. Импульсные режимы обычно
характеризуются либо отношением длительности
сигнала к длительности паузы, либо коэффициентом
заполнения - отношением длительности сигнала к
периоду следования импульсов, выраженным в
процентах. Все приборы обычно снабжены таймером,
чтобы задавать длительность импульса.
Средняя интенсивность ультразвука
терапевтических уровней может быть измерена с
помощью балансных радиометров, а распределения
амплитуды ультразвука в пучке могут быть
получены с помощью миниатюрных датчиков
давления или температуры.
Терапевтические излучатели обычно
сделаны в виде дисков из высококачественной
пьезокерамики цирконат-титаната свинца,
например PZT 4. Они помещаются в водонепроницаемую
оболочку из алюминия или нержавеющей стали,
прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная
сторона диска граничит с воздухом.
Схема крепления кристалла в
терапевтическом излучателе, обеспечивающая
воздушную нагрузку тыльной стороны кристалла: 1 -
заземленный металлический корпус; 2 -
пьезоэлектрический кристалл с серебряными
электродами с обеих сторон; 3 - припой; 4 - пружина,
прижимающая контакт к обратной стороне.
Способы введения
ультразвуковой энергии.
Существует несколько
способов введения ультразвуковой энергии в
обрабатываемую область. Наиболее
распространенный способ - контактный, когда
преобразователь прикладывается непосредственно
к коже. В этом случае передача акустической
энергии осуществляется через тонкий слой
контактного вещества, акустический импеданс
(полное сопротивление) которого близок к
импедансу кожи.
При лечении частей тела неудобных
конфигураций, например, колен или локтей,
облучение можно проводить при погружении тела в
ванну с водой. Также могут использоваться
акустически прозрачные мешки с водой. Мешок
может принимать форму облучаемой части тела, а
акустический контакт с кожей осуществляется
через слой контактного вещества.
Обычно в качестве контактных веществ
используются легко стерилизуемые жидкости с
подходящим акустическим импедансом, такие как
минеральное или парафиновое масла. Используются
и тиксотропные вещества (типа гелей). Их удобно
использовать, поскольку в обычном состоянии они
достаточно вязки, но под действием ультразвука
разжижаются. Количество энергии, передаваемое
через различные жидкости, практически одно и
тоже, если слой достаточно тонок, и зависит
скорее от давления преобразователя на
контактное вещество, чем от его состава.
Во время процедуры
преобразователь может удерживаться в одном
положении (режим стационарного излучателя) или
непрерывно перемещаться над обрабатываемой
областью (режим движущегося излучателя). При
любой возможности необходимо избегать режима
стационарного излучателя, поскольку возможно
образование стоячих волн и "горячих точек",
которые могут привести к локальным повреждениям.