Ultraskaņa, infraskaņa un vibrācijas

1. Ultraskaņa, infraskaņa un vibrācijas

Uldis Teibe

2. Ultraskaņa

Par ultraskaņu medicīnā sauc mehāniskās
svārstības un viļņus, kuru frekvence atrodas
robežās no apmēram 16 kHz līdz 10 GHz
(G - giga = 1 miljards = 109).
Ultraskaņas viļņa garumu diapazons ir
robežās no 2 cm līdz 30 nm, īso viļņu
apgabalā tas atbilst atomu izmēriem.

3. Ultraskaņa

Ultraskaņu iegūst, pārveidojot elektriskās
svārstības mehāniskajās, izmantojot
magnetostrikciju vai apgriezto
pjezoelektrisko efektu.
Ultraskaņas viļņu intensitāte var sasniegt
lielas vērtības: no dažiem kilovatiem uz
kvadrātmetru (kW/m2) līdz simtiem kW/m2
(izmantojot fokusēšanas ierīces).
Ar ultraskaņu maza tilpuma vidē var izraisīt
stipras mehāniskās iedarbības.

4. Ultraskaņas iegūšana

Pjezoelektriskais
efekts
Magnetostrikcija

5. Ultraskaņas īpatnības:

izplatīšanās stingri noteiktā virzienā,
liela caurspiešanās spēja,
refleksija no virsmām un nehomogenitātēm
praktiski bez zudumiem,
iespēja fokusēt, izmantojot reflektorus,
absorbcija un izplatīšanās ātrums būtiski
atkarīgs no vides īpašībām.
Ultraskaņas iedarbību uz vielu raksturo
primārie un sekundārie efekti.

6. Primārie efekti:

kavitācija,
ultraskaņas viļņa spiediens,
absorbcija.

7. Kavitācija

Stiepes un spiedes spriegumi, kas ultraskaņas
ietekmē rodas šķidrumos, var būt lielāki par
kohēzijas spēkiem starp molekulām, izveidojot starp
tām mikrodobumus (cavum).
Tie eksistē neilgu laiku un ātri sabrūk. Šajā procesā
izdalās enerģija, kas bija patērēta, dobumus
izveidojot.
Nelielā tilpumā var tikt koncentrēta tik liela enerģija,
ka var izraisīt apkārtējo molekulu jonizāciju,
disociāciju, vielas sasilšanu.

8. Viļņa spiediens

Vilnis izplatoties, rada uz tā ceļā esošajiem
ķermeņiem pastāvīgu, vienā virzienā vērstu
spiedienu, kas, palielinoties intensitātei,
pieaug.
Šī spiediena dēļ ultraskaņa, izplatoties
virzienā no šķidruma uz gaisu, uz šķidruma
un gaisa robežas rada “fontānu”.

9. Absorbcija

Ultraskaņai absorbējoties vidē, daļa tās
enerģijas pārvēršas siltumā, paaugstinot
vides temperatūru.
Uz dažādu vidu robežas var rasties lokālas
paaugstinātas temperatūras apgabali.

10. Sekundārie efekti:

mehāniskā darbība,
ķīmiskā darbība,
bioloģiskā darbība.

11. Mehāniskā darbība

Daļiņas, kas atrodas ar ultraskaņu apstarotā
vidē, (piemēram, mikroorganismi) sāk
svārstīties ultraskaņas frekvencē.
Svārstību amplitūda ir atkarīga no
ultraskaņas frekvences un intensitātes, kā arī
no daļiņu izmēriem un vides viskozitātes.

12. Mehāniskā darbība

Atbilstošos apstākļos šīs svārstības izraisa
daļiņu sabrukšanu un vienmērīgu to
sadalījumu vidē.
Ar šī efekta palīdzību var šķidrumos
disperģēt metālus vai citus cietus ķermeņus
(iegūt koloīdus šķīdumus), sagatavot ļoti
viendabīgas (homogēnas) emulsijas,
aerosolus, depolarizēt materiālus, kas sastāv
no lielām molekulām.

13. Mehāniskā darbība

Atkarībā no apstarošanas apstākļiem ar
ultraskaņu var daļiņu sadursmju rezultātā
veicināt arī pretēju procesu: apvienot daļiņas,
tās sedimentēt (izdalīt).
Tāpēc ultraskaņu lieto arī suspensiju
nosēdināšanai, aerosolu koagulācijai (sodrēju
un putekļu atdalīšanai), gāzu attīrīšanai no
ķīmiski piesārņotiem materiāliem utt.

14. Ķīmiskā darbība

Ultraskaņas (tāpat kā jonizējošā starojuma)
iedarbībā notiek, piemēram, ūdens molekulu
ierosināšana un jonizācija.
Uz aktīvo radikāļu (piemēram, OH, OH-, H, H+ u.c.)
klātbūtni norāda šķīdumos notiekošie oksidācijas
procesi.
Piemēram, no KJ šķīduma izdalās jods, kura
daudzums ir atkarīgs no absorbētās ultraskaņas
enerģijas.
Šo parādību izmanto ultraskaņas dozas noteikšanai.
Aktivācijai nepieciešamā enerģija izdalās kavitācijas
procesā.

15. Bioloģiskā darbība

Ultraskaņas iedarbībā iet bojā vīrusi, baktērijas,
sēnītes un citi mazi bezmugurkaulnieku un
mugurkaulnieku organismi.
Šī procesa cēlonis ir ultraskaņas kompleksa
darbība, kas ietver mehānisko, kavitācijas, ķīmisko
un termisko darbību.
Cilvēka un dzīvnieku audu jutība pret ultraskaņas
nāvējošo darbību ir stipri atšķirīga, pat vienādiem
audiem un šūnām piemīt dažāda jutība atkarībā no
apstarošanas apstākļiem.

16. Bioloģiskā darbība

Apstarojot sarkanos asinsķermenīšus in vitro
ar nelielas intensitātes ultraskaņu, notiek to
hemolīze, bet dzīvajās šūnās pat liela
intensitāte neizraisa kaitīgu iedarbību.
Baktēriju iznīcināšanas efekts atkarīgs no tā,
kādā barojošā vidē notiek to apstarošana.

17. Bioloģiskā darbība

Tāpēc ultraskaņu var izmantot zāļu un
pārtikas produktu, piemēram, piena
sterilizācijai, kā arī olbaltumvielu, enzīmu,
baktēriju izdalīšanai.
Baktēriju koncentrātus, kas iegūti ar
ultraskaņu, izmanto imunitātes veidošanai.

18. Bioloģiskā darbība

Lielas intensitātes ultraskaņai vairāk izpaužas
graujošā darbība, mazas intensitātes
ultraskaņa var stipri paaugstināt vielmaiņu.
To var izskaidrot ar ultraskaņas spēju
paātrināt difūziju, izmainīt šūnu membrānu
caurlaidību.

19. Medicīnā ultraskaņu izmanto diagnostikā, terapijā, ķirurģijā, emulsiju sagatavošanai, sterilizācijā, osteosintēzē u.c.

Diagnostikā izmanto vāju ultraskaņu, kuras
intensitāte ir 1... 200 W/m2 un frekvence 1...
10 MHz.
Izplatītākās ir 4 metodes:

20.

1) atstarotā signāla noietā attāluma un
intensitātes mērīšana, lai noteiktu atstarojošā
objekta atrašanās vietu, formu, izmērus (eholokācija
- gr. echo -atbalss + lat. locatio - izvietojums).
Parasti lieto ultraskaņas impulsus ar impulsa
aizpildes koeficientu 1:1000 (impulsa samērs
1000:1).
Metodi lieto abdominālajā diagnostikā (aknu, nieru,
žultspūšļa un žultsvadu, urīnpūšļa, liesas, aizkuņģa
dziedzera stāvokļa diagnostikā), ginekoloģiskajā un
grūtniecības, kardioloģiskajā, neiroloģiskajā un
oftalmoloģiskajā diagnostikā;

21.

2) metodes, kuru pamatā ir Doplera efekts
(ultraskaņas doplertehnika):
kustīgu objektu apstarošana ar ultraskaņas
impulsiem vai nepārtrauktiem ultraskaņas
viļņiem un atstaroto signālu frekvences
izmaiņas reģistrēšana.
Lieto asiņu plūsmas ātruma mērīšanā, pēc
kura var spriest par atsevišķu ķermeņa daļu
un orgānu asinsapgādi, asinsvadu tonusu un
sirdsdarbību;

22. 3) ultraskaņas spektroskopija:

orgānu virsmu apstarošana ar ultraskaņas
impulsiem un atstaroto signālu amplitūdu
sadalījuma Furjē analīze (spektrālanalīze) vai
orgānu selektīvas frekvenču absorbcijas
analīze. Lieto struktūranalīzē;

23. 4) caurstarošanas metode:

ultraskaņas vājinājuma reģistrēšana starp
izstarotāju un uztvērēju, starp kuriem atrodas
pētāmais objekts.
Lieto ultraskaņas skaitļošanas tomogrāfijā
(tomogrāfija = gr. tomos - daļa + grapho rakstu) - diagnostikas metode izmeklējamā
objekta atsevišķu slāņu attēla iegūšanai.

24.

Ar Doplera efekta metodi var noteikt vai nu
frekvences izmaiņu atstarotajā signālā pēc
sakarības
2v
f
f 0 cosg
c
kur f0 - izstarotās ultraskaņas frekvence, v objekta kustības ātrums, c - ultraskaņas viļņa
ātrums, g - leņķis starp skaņas impulsa virzienu
un objekta kustības virzienu, vai arī objekta
kustības ātrumu pēc formulas

25. Terapija

Terapijā izmanto ultraskaņu, kuras frekvence
ir 0,2... 1 MHz un intensitāte līdz 5 kW/m2,
retāk līdz 10 kW/m2.
Ja intensitāte ir lielāka un apskaņošanas laiks
pārsniedz 2 min, tad audos rodas
neatgriezeniskas izmaiņas.

26. Terapijā izmanto:

ultraskaņas mehānisko (iekšējo audu masāža),
termisko (straujāka intensitātes samazināšanās
objekta dziļumā),
fizikālķīmisko (difūzijas pastiprināšanās, reakciju
ātruma palielināšanās u.c.) darbības, kā arī visu
minēto darbību komplekso bioloģisko ietekmi
(piemēram, uz pretiekaisuma procesiem, fagocitozi,
uzbudināmo audu bioelektrisko aktivitāti utt.).
Ultraskaņu lieto deformējošo artrožu,
osteohondrozes, čūlas slimības, neirodermīta u.c.
slimību ārstēšanai.

27. Ķirurģija u.c.

Ultraskaņas graujošo un termisko darbību izmanto
ķirurģijā un stomatoloģijā. Jāatzīmē, ka ultraskaņa
var iedarboties uz DNS, izraisot mutācijas.
Ultraskaņas izmantošanas diapazons pēdējā laikā
kļuvis ļoti plašs.
Var minēt ultraskaņas mikroskopiju, ar kuras
palīdzību iegūst lielāku palielinājumu nekā ar optisko
mikroskopiju, ultraskaņas (akustisko) hologrāfiju,
kas dod iespēju vizualizēt gaismai caurspīdīgus
objektus, ultraskaņas defektosopija u.c.

28. Sīkspārnis un tā eholokācijas signāla oscilogrammas

29. Infraskaņa

Par infraskaņu sauc elastīgus viļņus, kuru
frekvence ir zemāka par cilvēka dzirdamajām
frekvencēm.
Parasti par IS augšējo robežu pieņem 16...
25 Hz, apakšējā robeža nav fiksēta.
Praktisku interesi izraisa svārstības, kuru
frekvence atrodas robežās no herca
desmitdaļām vai simtdaļām līdz pat 40 Hz.

30. Infraskaņa

Infraskaņa ir atmosfēras trokšņu, meža un
jūras šalku, pērkona, sprādzienu un šāvienu
trokšņu, darbgaldu trokšņu u.c. sastāvā.
Infraskaņas avoti ir zemestrīces, atmosfēras
turbulences, kas rodas vēju, vētru un
viesuļvētru ietekmē, jūras viļņu bangas pret
krastu, vulkānu izvirdumi, strādājoši
transporta līdzekļu dzinēji, sevišķi reaktīvie
lieljaudas aviācijas dzinēji.

31. IS iegūšana

Mākslīgi infraskaņu iegūst ar infraskaņas
ģeneratoriem, kuru darbības princips ir
līdzīgs ērģeļu stabuļu darbības principam.
Tā, piemēram, ja caurules garums ir 24 m,
tad ar to var iegūt infraskaņu, kuras
frekvence ir 3,5 Hz.

32. IS izmantošana

Infraskaņa vāji absorbējas dažādās vidēs,
tāpēc tās viļņi gaisā, ūdenī un Zemes garozā
var izplatīties ļoti lielos attālumos.
Piemēram, infraskaņas viļņi, kas radās
vulkāna Krakatau (Indonēzijā starp Javu un
Sumatru) izvirdumā 1883.gadā un kuru
frekvence bija 0,1 Hz, vairākas reizes apgāja
apkārt Zemei.

33. IS izmantošana

Šo parādību izmanto, lai noteiktu sprādzienu
un lielgabalu atrašanās vietas. Infraskaņu
izmanto arī atmosfēras augšējo slāņu un
ūdens vides (okeānu, jūru utt.) īpašību
pētīšanai, lai prognozētu viesuļvētras, cunami
un zemestrīces.

34. IS uztveršana

Infraskaņu uztver ar speciāliem mikrofoniem,
hidrofoniem vai vibratoriem.
To darbības princips ir līdzīgs dzirdamajai
skaņai lietojamo aparātu darbības principam,
tikai izmēri ir ievērojami lielāki, jo IS viļņa
garums ir ļoti liels (piemēram, 7 Hz frekvencei
atbilst viļņa garums gaisā 48,5 m).

35. IS iedarbība

Infraskaņa ir potenciāli bīstama cilvēka
organismam.
Augsts infraskaņas līmenis spēj izraisīt
traucējumus cilvēka ķermeņa statiskajos un
dinamiskajos līdzsvara orgānos.
Šo iekšējā ausī esošo orgānu pašsvārstību
frekvence atrodas tieši infraskaņas
diapazonā (no 2 līdz 20 Hz).

36. IS iedarbība

Pētījumos konstatēts, ka, iedarbojoties uz cilvēku ar
infraskaņu, kuras frekvence ir 2... 10 Hz,
novērojamas vienādas izjūtas: viegls nelabums,
griešanās sajūta, patvaļīga acu ābolu pagriešanās,
kaut kāda neērtības sajūta.
Visi šie simptomi liecina par līdzsvara orgānu
funkciju traucējumiem. Ja frekvence ir 7 Hz un
intensitātes līmenis 118 dB, tad novēro reiboņus,
līdzsvara zudumu, muskuļu tonusa pazemināšanos.

37. IS iedarbība

Pētot dažādus ražošanas trokšņus, konstatēts, ka
augsts infraskaņas līmenis ir kutera dzinēja
troksnim: ja jauda ir 300 kW, tad pie frekvences 13
Hz infraskaņas līmenis ir 134 dB.
Automobiļa, kas brauc ar ātrumu 100 km/h, dzinēja
troksnī 6 Hz frekvences infraskaņas līmenis ir 118
dB (automobiļa logi atvērti).
Infraskaņas avots ir gaisa virpuļi aiz automašīnas,
pie kam samazinoties frekvencei, infraskaņas
intensitāte pieaug.

38. IS iedarbība

Pastāv uzskats, ka infraskaņa ietekmē
psihiskas parādības, piemēram, nemiers, ko
izjūt cilvēki un dzīvnieki pirms zemestrīcēm,
anomālijas cilvēku uzvedībā sliktā laikā,
atmiņas pasliktināšanās vētru laikā ir saistīti
ar infraskaņas ietekmi.
Taču pārliecinošu zinātnisku pierādījumu vēl
pašlaik trūkst.

39. Vibrācijas

Par vibrācijām sauc dažādas formas
elastīgu ķermeņu mehāniskas svārstības,
drebēšanu, ko izraisa iekšēji vai ārēji
periodiski stimuli.
Parasti šo terminu izmanto tehnikā, lai
raksturotu svārstības, kas mehānismos un
mašīnās rodas to darbības laikā.

40. Vibrācijas

Mūsdienu sabiedrība dzīvo vibrējošā
apkārtējā vidē, jo visraksturīgākā mehāniskā
iedarbība uz cilvēku ir vibrācija.
Sevišķi tas izpaužas transportā, tehnikā,
svārstību sistēmām iedarbojoties uz ēkām,
kurās atrodas cilvēki utt.
Vibrāciju iedarbība uz cilvēku ir pati lielākā
pretruna starp cilvēku un tehnisko progresu.

41. Vibrācijas sistēmu mehāniskais modelis sastāv no:

potenciālās enerģijas saglabāšanās
līdzekļiem (atsperes),
kinētiskās enerģijas saglabāšanās līdzekļiem
(inerciālās masas) un
līdzekļiem, kuros enerģija pakāpeniski zūd
(virzuļiem).

42.

43.

Svārstību sistēmās notiek pakāpeniska
enerģijas pāreja no potenciālās kinētiskajā.
Reālās sistēmās daļa enerģijas izkliedējas,
un, lai uzturētu svārstību kustību,
nepieciešams sistēmā papildināt enerģiju no
ārpuses, no kāda enerģijas avota.

44.

Cilvēka ķermenī vibrācijas izraisa iekšēji vai
ārēji avoti.
Cilvēka organisms ir sarežģīta vibrāciju
sistēma, jo tajā ir: mīkstie audi, kauli,
locītavas, iekšējie orgāni, kam piemīt
dažādas pašsvārstību frekvences, dažāda
viskozitāte un inerce.

45. Vibrācijas

No biomehānikas viedokļa cilvēks ir
deformējams ķermenis, uz kuru darbojas
mehāniskie spēki vai citas ietekmes.
Taču eksistē būtiska īpatnība: darbojoties
fizikāliem faktoriem, kuri izmanto enerģijas
resursus un iesaista atbilstošos muskuļus,
sākas fizioloģiskas reakcijas, kuru rezultātā
tiek atjaunots sākotnējais stāvoklis.
Galīgās deformācijas ir fizikālo faktoru un
fizioloģisko reakciju kopējais rezultāts.

46. Modeļi

Lai interpretētu un prognozētu cilvēka
organisma bioloģisko toleranci, var lietot
mehānisku modeli, kas aptuveni apraksta
visu svarīgāko ķermeņa daļu kustību dažādu
spēku iedarbībā.

47. Modeļi

Ar šādu modeļu palīdzību var aprēķināt
vibrāciju enerģijas pārvadi un izkliedi cilvēka
audos, noteikt vibrāciju amplitūdas un
spiedienus dažādās ķermeņa daļās un
prognozēt dažādu aizsarglīdzekļu efektivitāti.

48.

Cilvēka ķermenim pieliktie spēki izraisa kustību,
mehāniskos spriegumus, pārvietojumus un
deformācijas.
Tie savukārt izsauc dažādus efektus: kustība var
tieši ietekmēt fizisko aktivitāti, var rasties mehāniski
bojājumi vai audu sagraušana, var parādīties
sekundārie efekti (ieskaitot subjektīvas sajūtas),
kuri, darbojoties caur bioreceptoriem vai
bioloģiskiem pārvades mehānismiem, ierosina
izmaiņas organismā.
Piemēram, pārvietojoties pa sauszemi, jūru, gaisu
vai kosmosā, rodas atbilstošās kustības slimības transporta, jūras, gaisa vai kosmosa patoloģija.
Kustību slimībās vairāk vai mazāk tiek traucētas
cilvēka darbaspējas.

49.

Saslimstot operatoriem (šoferi, piloti,
kosmonauti) tiek traucēta pārvietošanās.
Pasažieriem saslimšana rada diskomfortu.
Dažiem pasažieriem slimības parādības
izpaužas sirds un asinsvadu darbības
traucējumos, sevišķi smagos gadījumos var
iestāties nāve.
Daži vibrāciju veidi var stipri ietekmēt sensoro
un muskuļu aktivitāti.
Piemēram, redzes asuma samazināšanās, ko
izraisa ķermeņa vibrācijas, ir atkarīga ne tikai
no frekvences, bet arī no amplitūdas.

50.

Mehāniskie spriegumi un kustības var
stimulēt dažādus ādas u.c. receptorus, kā arī
uzbudināt nervu sistēmu.
Stimulatori paaugstina nervu sistēmas un
hormonālo aktivitāti, kas savukārt krasi
ietekmē daudzus metaboliskos procesus,
saistītus ar ēdiena asimilāciju, muskuļu
aktivitāti, reproduktīvo aktivitāti utt.

51.

Dažādu frekvenču vibrācijas izraisa sirds un
asinsvadu sistēmas darbības izmaiņu.
Zemfrekvences vibrācijas paaugstina
arteriālo spiedienu, paātrina pulsu, izmaina
venozo spiedienu.
Sastopami arī pretēji novērojumi.
Augstfrekvences vibrācijas palielina arteriālo
spiedienu, paātrina pulsu.
Daudzi pētījumu autori konstatējuši vibrāciju
ietekmi uz vestibulāro un redzes analizatoru,
kā arī uz elpošanas un citu sistēmu
funkcijām.

52.

Galvenie vibrāciju parametri ir vibrāciju:
ātrums, paātrinājums, frekvence, amplitūda
un ilgums.
Vibrāciju iedarbība uz organismu ir saistīta ar
šādām parādībām:
fizikāla iedarbība uz kontakta virsmu,
svārstību izplatīšanās audos,
tieša orgānu un audu reakcija uz iedarbību,
mehanoreceptoru kairināšana, kam seko
neiroreflektorās un subjektīvās reakcijas.

53.

Vibrācijām piemīt liela bioloģiska aktivitāte.
Dažādu organisma sistēmu funkciju novirzes
ir atkarīgas no vibrāciju spektrālā sastāva un
amplitūdas, kā arī no cilvēka ķermeņa
fizioloģiskajām īpašībām.
Šo reakciju ģenēzē svarīga loma ir
vestibulārajam, kustību, redzes, ādas u.c.
analizatoriem.

54.

Sevišķi jūtīgi pret lokālajām vibrācijām ir tie
simpātiskās nervu sistēmas apgabali, kas
regulē perifēro asinsvadu tonusu, kā arī tie,
kas saistīti ar vibrāciju un taktīlo jutību.
Konstatēts, ka kapilāru spazmas sākas, ja
vibrāciju frekvence pārsniedz 35 Hz.
Pie mazākām frekvencēm galvenokārt
novērojama kapilāru atonija vai to spastiski
atoniskais stāvoklis.
Uzskata, ka asinsvadu spazmām
visbīstamākais ir frekvenču diapazons 35...
25 Hz.

55.

Zemfrekvences vibrācijas ar frekvenci 4...11
Hz iedarbojas uz vestibulāro aparātu, izraisot
izmaiņas laika uztverē un novērtējumā,
samazina informācijas apstrādes ātrumu.
Novērojami arī kustību koordinācijas
traucējumi.
Ilgstoša vibrāciju ietekme izraisa t.s. vibrāciju
slimību, kas vairākās profesijās ir viena no
galvenajām profesionālajām slimībām.

56.

Vispārēja zemfrekvences vibrācija, sevišķi, ja
tā ir rezonanses diapazonā, izsauc ilgstošu
mugurkaula skriemeļu un kaulu
traumatizāciju, vēdera dobuma orgānu
nobīdi, kuņģa un zarnu gludās muskulatūras
motorikas izmaiņas, var izsaukt sāpes jostas
apvidū, izraisīt progresējošas deģeneratīvas
izmaiņas mugurkaulā, saslimstību ar krustu
radikulītu, hronisku gastrītu.
Visbiežāk šāds stāvoklis konstatēts
traktoristiem, šoferiem, strādājošiem ar
dažādiem vibroinstrumentiem.

57. Dažas pašsvārstību frekvences:

cilvēka ķermenis stāvus
cilvēka ķermenis guļus
cilvēka krūšu kurvis
cilvēka vēderdobums
- 5... 12 Hz,
- 3... 4 Hz,
- 5... 8 Hz,
- 3... 4 Hz.

58.

Sievietēm vispārēja vibrāciju iedarbība
ierosina biežas ginekoloģiskas saslimšanas,
spontānus abortus, priekšlaicīgas
dzemdības, mazā iegurņa asinsrites
traucējumus.
Vibrāciju kaitīgo ietekmi jācenšas samazināt,
uzlabojot ražošanas apstākļus, pastiprinot
transporta līdzekļu amortizējošās īpašības.