¿Qué aportes aporta el ultrasonido a la humanidad?
2008-04-02 16:49 Ultrasonido
Sabemos que cuando un objeto vibra emite sonido. Los científicos llaman frecuencia del sonido al número de vibraciones por segundo y su unidad es Hertz. La frecuencia de las ondas sonoras que nuestro oído humano puede oír es de 16 a 20.000 Hz. Por lo tanto, cuando la vibración de un objeto excede una determinada frecuencia, es decir, cuando es superior al límite superior del umbral de audición humana, las personas no pueden oírlas. Estas ondas sonoras se denominan "ultrasonido". La frecuencia de la ecografía habitualmente utilizada para el diagnóstico médico es de 1 a 5 MHz.
Aunque los humanos no podemos oír los ultrasonidos, muchos animales tienen esta capacidad. Pueden utilizar el ultrasonido para "navegar", buscar comida o evitar objetos peligrosos. Es posible que hayas visto muchos murciélagos volando de un lado a otro en el patio en las noches de verano. ¿Por qué vuelan sin luz sin perderse? La razón es que los murciélagos pueden emitir ondas ultrasónicas de 20.000 a 100.000 Hz, que es como una "estación de radar" activa. Los murciélagos utilizan este "radar" para determinar si hay insectos u obstáculos delante de su vuelo.
Los humanos no aprendimos a utilizar ondas ultrasónicas hasta la Primera Guerra Mundial. Se trata de utilizar el principio del "sonar" para detectar objetivos y su estado en el agua, como por ejemplo la posición de los submarinos. En este momento, las personas envían una serie de ondas ultrasónicas de diferentes frecuencias al agua y luego registran y procesan el eco reflejado. A partir de las características del eco, podemos estimar la distancia, la forma y los cambios dinámicos del objeto detectado. El primer uso del ultrasonido en medicina fue en 1942, cuando el médico austriaco Dusik utilizó la tecnología de ultrasonido para escanear las estructuras cerebrales por primera vez. Más tarde, en la década de 1960, los médicos comenzaron a aplicar el ultrasonido para la detección de órganos abdominales. Hoy en día, la tecnología de exploración por ultrasonido se ha convertido en una herramienta indispensable para el diagnóstico médico moderno.
El principio de funcionamiento del examen médico ultrasónico es similar al del sonar, es decir, las ondas ultrasónicas se emiten al cuerpo humano cuando encuentran interfaces en el cuerpo, se reflejarán y refractarán, y pueden. ser absorbido en los tejidos humanos. Absorber y atenuar. Debido a que las formas y estructuras de los distintos tejidos del cuerpo humano son diferentes, el grado de reflexión, refracción y absorción de las ondas ultrasónicas también es diferente a través de los patrones de ondas, curvas o características de la imagen reflejada por los instrumentos. Además, combinado con conocimientos anatómicos, cambios normales y patológicos, es posible diagnosticar si el órgano examinado está enfermo.
En la actualidad, los médicos utilizan métodos de diagnóstico por ultrasonido en diferentes formas, que se pueden dividir en cuatro categorías: tipo A, tipo B, tipo M y tipo D.
Tipo A: Es un método que utiliza formas de onda para mostrar las características del tejido. Se utiliza principalmente para medir el diámetro de un órgano para determinar su tamaño. Puede utilizarse para identificar algunas características físicas del tejido enfermo, como la presencia de material sólido, líquido o gaseoso, etc.
Tipo B: Utiliza gráficos planos para mostrar las condiciones específicas del tejido que se está explorando. Durante el examen, la señal reflejada de la interfaz del cuerpo humano se convierte primero en puntos de luz de diferentes fortalezas y debilidades. Estos puntos de luz se pueden mostrar a través de una pantalla fluorescente. Este método es intuitivo, altamente repetible y puede usarse para comparar antes. y después, por lo que es muy utilizado en obstetricia y ginecología. Diagnóstico de enfermedades del sistema urinario, digestivo y cardiovascular.
Tipo M: Es un método utilizado para observar los cambios de tiempo de las interfaces activas. Es más adecuado para comprobar la actividad del corazón. El cambio dinámico de su curva se llama ecocardiografía. Puede usarse para observar la posición, el estado de actividad y la condición estructural de cada capa del corazón. el diagnóstico de enfermedades del corazón y de los grandes vasos sanguíneos.
Tipo D: Es un método de diagnóstico ultrasónico especialmente utilizado para detectar el flujo sanguíneo y la actividad de los órganos. También se llama método de diagnóstico ultrasónico Doppler. Puede determinar si los vasos sanguíneos están abiertos, si la luz está estrechada, bloqueada y la ubicación de la enfermedad. La nueva generación de ultrasonidos tipo D también puede medir cuantitativamente el flujo sanguíneo en la luz. En los últimos años, los científicos han desarrollado un sistema Doppler codificado por colores, que puede mostrar la dirección del flujo sanguíneo en diferentes colores bajo la guía de puntos anatómicos en la ecocardiografía. La profundidad del color representa la velocidad del flujo sanguíneo. Hoy en día, están surgiendo constantemente tecnologías de ultrasonido como la ecografía estereoscópica, la TC por ultrasonido y la endoscopia por ultrasonido, que también se pueden utilizar en combinación con otros instrumentos de inspección para mejorar en gran medida la precisión del diagnóstico de enfermedades.
La tecnología de ultrasonido está desempeñando un papel muy importante en el campo médico. Con el avance de la ciencia, será más perfecta y beneficiará mejor a la humanidad.
Ondas sonoras con frecuencias superiores a 20.000 Hz (hercios). La rama de la acústica que estudia la generación, propagación y recepción de ondas ultrasónicas, así como diversos efectos y aplicaciones de los ultrasonidos, se denomina ultrasonidos.
Los dispositivos que generan ondas ultrasónicas incluyen generadores ultrasónicos mecánicos (como silbatos de aire, silbatos de vapor, silbatos de líquido, etc.), generadores ultrasónicos eléctricos fabricados utilizando los principios de inducción electromagnética y acción electromagnética,
Y transductores electroacústicos fabricados utilizando el efecto electroestrictivo de cristales piezoeléctricos y el efecto magnetoestrictivo de materiales ferromagnéticos.
Efecto ultrasónico Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en un medio, se producen cambios físicos y químicos en el medio debido a la interacción entre las ondas ultrasónicas y el medio, dando como resultado una serie de efectos mecánicos y térmicos.
, efectos ultrasónicos electromagnéticos y químicos, incluidos los siguientes 4 efectos:
① Efecto mecánico. La acción mecánica de los ultrasonidos puede favorecer la emulsificación de líquidos, licuefacción de geles y dispersión de sólidos. Cuando se forma una onda estacionaria en un medio fluido ultrasónico, las pequeñas partículas suspendidas en el fluido se condensan en los nodos de la onda debido a la acción de la fuerza mecánica, formando acumulaciones periódicas en el espacio. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en materiales piezoeléctricos y materiales magnetoestrictivos, la polarización eléctrica inducida y la magnetización inducida son causadas por la acción mecánica de las ondas ultrasónicas (consulte Física dieléctrica y magnetoestricción).
②Cavitación. Cuando las ondas ultrasónicas actúan sobre líquidos, pueden producir una gran cantidad de pequeñas burbujas. Una razón es que se produce una tensión de tracción local en el líquido para formar una presión negativa. La reducción de la presión hace que el gas originalmente disuelto en el líquido se sobresature y escape del líquido para convertirse en pequeñas burbujas. Otra razón es que una fuerte tensión de tracción "desgarra" el líquido formando una cavidad, lo que se denomina cavitación. Dentro de la cavidad hay vapor líquido u otro gas disuelto en el líquido, o incluso vacío. Las pequeñas burbujas formadas debido a la cavitación continuarán moviéndose, creciendo o estallando repentinamente con la vibración del medio circundante. Cuando estalla, el líquido circundante se precipita repentinamente hacia la burbuja generando alta temperatura y alta presión y, al mismo tiempo, se genera una onda de choque. La fricción interna asociada con la cavitación puede formar cargas y producir luminiscencia debido a la descarga dentro de las burbujas. Las técnicas de sonicación en líquidos están relacionadas principalmente con la cavitación.
③Efecto térmico. Debido a la alta frecuencia y alta energía de las ondas ultrasónicas, pueden producir importantes efectos térmicos cuando son absorbidas por el medio.
④Efecto químico. La acción de los ultrasonidos puede favorecer o acelerar determinadas reacciones químicas. Por ejemplo, el agua destilada pura producirá peróxido de hidrógeno después del tratamiento ultrasónico; el agua con nitrógeno disuelto producirá ácido nitroso después del tratamiento ultrasónico. Las soluciones acuosas de tinte cambiarán de color o se desvanecerán después del tratamiento ultrasónico. La aparición de estos fenómenos siempre va acompañada de cavitación. El ultrasonido también puede acelerar los procesos de hidrólisis, descomposición y polimerización de muchas sustancias químicas. El ultrasonido también tiene un impacto significativo en los procesos fotoquímicos y electroquímicos. Después del tratamiento ultrasónico de soluciones acuosas de varios aminoácidos y otras sustancias orgánicas, las bandas espectrales de absorción características desaparecen y muestran una absorción general uniforme, lo que indica que la cavitación ha cambiado la estructura molecular.
Aplicación ultrasónica Los efectos ultrasónicos se han utilizado ampliamente en la práctica, principalmente en los siguientes aspectos:
① Inspección ultrasónica. La longitud de onda de las ondas ultrasónicas es más corta que la de las ondas sonoras ordinarias, tiene buena direccionalidad y puede penetrar materiales opacos. Esta característica se ha utilizado ampliamente en la detección de fallas por ultrasonidos, medición de espesores, medición de distancias, control remoto y tecnología de imágenes por ultrasonidos. La ecografía es una tecnología que utiliza ondas de ultrasonido para presentar la imagen interna de objetos opacos. Las ondas ultrasónicas emitidas por el transductor se enfocan en la muestra opaca a través de la lente acústica. Las ondas ultrasónicas transmitidas desde la muestra transportan información sobre la parte iluminada (como la capacidad de reflejar, absorber y dispersar ondas sonoras) y convergen. la lente acústica en el receptor piezoeléctrico, la señal eléctrica resultante se ingresa al amplificador y la imagen de la muestra opaca se puede mostrar en la pantalla fluorescente usando el sistema de escaneo. El dispositivo descrito anteriormente se llama microscopio de ultrasonido. La tecnología de imágenes por ultrasonido se ha utilizado ampliamente en la inspección médica, en la fabricación de dispositivos microelectrónicos para inspeccionar circuitos integrados a gran escala y en la ciencia de materiales para mostrar regiones de diferentes componentes y límites de grano en aleaciones. La holografía acústica es una tecnología de imágenes acústicas que utiliza el principio de interferencia de ondas ultrasónicas para registrar y reproducir imágenes tridimensionales de objetos opacos. Su principio es básicamente el mismo que el de la holografía de ondas de luz, pero el método de grabación es diferente (ver holografía). .
La misma fuente de señal ultrasónica se utiliza para excitar dos transductores colocados en el líquido. Estos emiten respectivamente dos haces de ondas ultrasónicas coherentes: un haz se convierte en una onda del objeto después de atravesar el objeto en estudio y el otro haz sirve como onda de referencia. La onda del objeto y la onda de referencia se superponen coherentemente sobre la superficie del líquido para formar un holograma acústico. El holograma acústico se irradia con un rayo láser y el efecto de difracción producido cuando el láser se refleja sobre el holograma acústico se utiliza para obtener una reconstrucción. Imagen del objeto. Generalmente se utiliza una cámara o televisión. Observación en tiempo real del funcionamiento de la máquina.
② Tratamiento ultrasónico. Utilizando los efectos mecánicos, de cavitación, térmicos y químicos del ultrasonido, se puede utilizar para soldadura ultrasónica, perforación, trituración de sólidos, emulsificación, desgasificación, eliminación de polvo, eliminación de incrustaciones, limpieza, esterilización, promoción de reacciones químicas e investigación de procesos biológicos. , etc., y se han utilizado ampliamente en diversos sectores como la industria, la minería, la agricultura y la atención médica.
③Investigación básica. Después de que las ondas ultrasónicas actúan sobre el medio, se produce un proceso de relajación acústica en el medio. El proceso de relajación acústica va acompañado del proceso de transporte de energía entre los respectivos grados eléctricos de las moléculas y muestra la absorción de ondas sonoras a nivel macroscópico (. ver ondas sonoras). Las características y estructura de los materiales se pueden explorar a través de las reglas de absorción de ultrasonidos por materiales. La investigación en esta área constituye la rama acústica de la acústica molecular. La longitud de onda de las ondas sonoras ordinarias es mucho mayor que la distancia atómica en el sólido. En esta condición, el sólido puede considerarse como un medio continuo. Sin embargo, para ondas ultrasónicas con frecuencias superiores a 1012 Hz, la longitud de onda se puede comparar con el espaciado atómico en el sólido. En este momento, el sólido debe considerarse como una estructura reticular con periodicidad espacial. La energía de la vibración de la red está cuantificada y se llama fonón (ver física del estado sólido). El efecto de los ultrasonidos especiales sobre los sólidos se puede atribuir a la interacción entre los ultrasonidos especiales y los fonones térmicos, electrones, fotones y diversas cuasipartículas. El estudio de la generación, detección y propagación de ultrasonidos especiales en sólidos, así como el estudio de fenómenos acústicos en líquidos cuánticos - helio líquido, constituyen un nuevo campo de la acústica moderna -
Acústica Cuántica