CE SUNT ULTRASUNETELE?

Vibrație a unui mediu elastic, de aceeași natură cu sunetul, având frecvențe superioare acestuia, fapt pentru care nu poate fi percepută cu urechea.
Ultrasunetele sunt vibrații mecanice cu frecvențe mai mari de 20.000 Hz. Ele au de obicei intensitatea redusă.

Gamele de frecventa aproximative corespunzatoare ultrasunetelor

Producerea ultrasunetelor

Ultrasunetele cu intensitate mare se obțin, cel mai adesea, prin procedee electromecanice care se bazează pe fenomenelor de piezoelectricitate și magnetostricțiune.
1.Generatorul piezoelectric:
Functionarea acestui generator se bazeaza pe proprietatea unui cristal de cuart de a se deforma in camp electric - Dacă dintr-un cristal de cuarţ se taie o plăcuţă şi pe feţele ei acoperite metalic se aplică o tensiune continuă, plăcuţa se deformează. Dacă se aplică o tensiune alternativă, ea începe să vibreze cu frecvenţa tensiunii aplicate, devenind o sursa de ultrasunete
2.Generatorul magnetostrictiv:
Funcţionarea acestui generator se bazează pe proprietatea unor substanţe feromagnetice de a-şi schimba dimensiunile la magnetizare. Dacă plăcuţele construite din aceste substanţe ( nichel, aliaje de nichel si cobalt) se dispun într-un câmp magnetic variabil, de o anumită frecvenţă, ele vor începe să oscileze, devenind surse de ultrasunete.
În ambele cazuri de generare a ultrasunetelor este necesar ca dimensiunile plăcuțelor oscilante să fie astfel alese încât frecvența lor proprie să coincidă cu frecvența de excitație, deci aceste generatoare lucrează în regim de rezonanță.

Efectele produse de ultrasunete

• duc la omogenizarea unor sisteme dispersate cum ar fi: solutii coloidale, emulsii etc.
• pot distruge starea de omogenitate a unor astfel de sisteme;
• pot accelera si chiar provoca unele reactii chimice
• pot favoriza procesele de polimerizare si invers
• produc fenomenul de cavitatie, care consta in aparitia unor goluri in fluide in miscare
• provoaca perturbatii mecanice in interiorul celulelor vii, care pot duce pana la distrugerea microorganismelor
• pot provoca incalziri locale

Efecte biologice ale ultrasunetelor

Efectele biologice depind de caracteristicile undei ultrasonore: intensitate, frecvenţă, doză. Din punct de vedere al efectelor biologice ultrasunetele au fost convenţional divizate în trei grupe: de intensitate mică (0,5–1,5 W/cm2 ), de intensitate medie (1,5–3 W/cm2) , de intensitate mare (3–10 W/cm2).

• La intensităţi mici ţesuturile nu suferă schimbări morfologice, producându-se numai modificări funcţionale. Apare un curent citoplasmatic ce stimulează procesele fiziologice.
• La intensităţi medii curenţii citoplasmatici devin puternici şi împiedică desfăşurarea normală a mecanismelor celulare. Se modifică permeabilitatea membranei, însă efectele rămân reversibile.
• La intensităţi mari se produc modificări structurale ireversibile. Ţesuturile embrionare şi în general celulele tinere sunt mai sensibile la iradierea cu ultrasunete decât celulele mature.

PROPRIETATILE ULTRASUNETELOR

• nu sunt percepute de organul auditiv al omului
• se pot obtine si sub forma unor fascicule inguste
• transporta o cantitate insemnata de energie
• ele sunt puternic absorbite de substante in stare gazoasa

UTILIZAREA ULTRASUNETELOR

Proprietăţile pe care le posedă undele ultrasonice şi efectele produse de acestea la interacţiunea cu substanţa favorizează la maxim utilizarea ultrasunetelor în diverse domenii (industrie,tehnică, navigație etc), inclusiv în medicină şi farmacie.

Aplicaţiile în medicină pot fi grupate în:
-aplicaţii pasive, care utilizează ultrasunete de intensitate relativ mică, ce nu produce modificări de structură a materialului biologic. Printre cele mai cunoscute sunt: diagnosticul prin ecografie, explorarea sistemului arterial, terapia cu ultrasunete;
-aplicaţii active, în care energia ultrasunetelor produce modificări în structura mediului prin care se propagă.Din ele fac parte: formarea emulsiilor, curăţarea diferitor piese (detartraj), chirurgie etc;

APLICATII ALE ULTRASUNETELOR IN CHIRURGIE

Chirurgia cu ultrasunete este împărțită în două tipuri :

1. unul este asociat cu efectul vibrațiilor sonore asupra țesuturilor,
2. al doilea - cu impunerea vibrațiilor cu ultrasunete pe un instrument chirurgical.

• Distrugerea tumorilor. Mai multe emițătoare montate pe corpul pacientului emit fascicule de ultrasunete care sunt focalizate asupra tumorii. Intensitatea fiecărui fascicul este insuficientă pentru a deteriora țesutul sănătos, dar în locul în care fasciculele converg, intensitatea crește și tumora este distrusă de cavitație și căldură.
• În urologie, folosind acțiunea mecanică a ultrasunetelor, pietrele din tractul urinar sunt zdrobite și acest lucru scutește pacienții de operații.
• Sudarea țesuturilor moi. Dacă două vase de sânge tăiate sunt pliate și presate împreună, se formează o sudură după iradiere.
• Sudarea osului(osteosinteză cu ultrasunete). Zona de fractură este umplută cu țesut osos zdrobit amestecat cu un polimer lichid (ciacrină), care polimerizează rapid sub acțiunea ultrasunetelor. După iradiere, se formează o sudură puternică, care este absorbită treptat și înlocuită cu țesut osos.
• Suprapunerea vibrațiilor ultrasunete pe instrumentele chirurgicale(bisturii, pile, ace) reduce semnificativ forțele de tăiere, reduce durerea, are efect hemostatic și sterilizant. Amplitudinea de vibrație a sculei de tăiere la o frecvență de 20-50 kHz este de 10-50 microni. Bisturiile cu ultrasunete permit operații la nivelul organelor respiratorii fără a deschide pieptul, operații la esofag și vasele de sânge.
• Sterilizarea.Efectul distructiv al ultrasunetelor asupra microorganismelor este folosit pentru sterilizarea instrumentelor chirurgicale.

INSTRUMENTAR ULTRASONIC ÎN CHIRURGIE

CE ESTE BISTURIUL ULTRASONIC?

Nașterea bisturiului armonic cu ultrasunete în 1996 - descoperire care face ca tehnologia chirurgicală minim invazivă bazată pe chirurgia endoscopică să fie utilizată pe scară largă în diverse domenii chirurgicale. Este un instrument chirurgical folosit pentru a tăia și cauteriza simultan țesutul.

Bisturiul cu ultrasunete focalizează ultrasunetele de mare intensitate pe varful cuțitului prin corn, se foloseste de vibrația puternică a cuțitului pentru a tăia țesuturi moi. Din punct de vedere clinic, această metodă este utilizată pentru îndepărtarea tumorilor țesutului moale la om. Tumoarea este tăiata, spălata și aspirata, fara a deteriora vasele de sânge și nervii din jur. Prin urmare, este cunoscut sub numele de bisturiu fără sânge.

Bisturiul cu ultrasunete are cel mai bun efect asupra țesuturilor cu mai multă umiditate și mai puțin colagen, cum ar fi creierul, ficatul, splina și alte organe, dar are un efect redus asupra țesuturilor cu mai mult colagen, cum ar fi vasele de sânge și fascia.

Aplicația clinică este utilizată în principal în chirurgia creierului, tumorile neurochirurgicale, tumorile hepatice, chirurgia toracică de toate tipurile de rezecție tumorală, chirurgie ortopedică cu ultrasunete, îndepărtarea grăsimii etc.

PARTILE COMPONENTE ALE BISTURIULUI ULTRASONIC

1.GENERATORUL

Generatorul - dispozitiv utilizat pentru a genera și furniza putere și control de ieșire unui traductor cu ultrasunete. Semnalele de energie electrică sunt transmise printr-un cablu, iar traductorul transformă semnalul de energie electrică în mișcare mecanică a undei ultrasonice.
Frecventa de operare 55 kHz ± 1 kHz.

2.TRADUCTORUL

Traductorul piesei de mână convertește energia electrică din mișcarea mecanică a generatorului principal. Traductorul din piesa de mână consta intr-un cristal piezoelectric plasat sub presiune între cilindri metalici.

3.CAPUL DE TAIERE

Capul de tăiere poate avea diverse forme: cuțit, lamă, fierăstrău în funcție de specificul intervenției la care este folosit.El poate fi rotit la 360 de grade pentru a îndeplini cerințele chirurgiei endoscopice.
Caracteristici
Designul curbat al capului de tăiere oferă chirurgilor o vizibilitate mai mare în timpul operațiilor.
Designul unic al structurii capului de tăiere mărește lungimea efectivă de disecție și realizează o etanșare fiabilă pentru vasele de sânge cu diametrul de până la 5 mm.
Designul puternic al clemei reduce posibilitatea de alunecare a țesuturilor și îmbunătățește manipularea instrumentelor de către chirurgi în timpul operațiilor.

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL BISTURILUI ULTRASONIC

Energia electrică produsă de generatorul de frecvență înaltă controlată cu un microcontroler este transformată în energie mecanică prin intermediul sistemului piezoelectric din mâner. Lama sau vârful instrumentului oscilează deplasându-se de-a lungul axei cu o frecvență constantă de 55500 Hz.Distanța de lungime poate de la 25 la 100 µ și poate fi ajustată în 5 niveluri prin modificarea puterii generatorului.

Bisturiul ultrasonic este capabil să producă trei tipuri de efecte: cavitație, coaptare/coagulare și tăiere.

Cavitația este cauzată de formarea bulelor de gaz la temperatura corpului datorită unei modificări rapide a volumului de țesuturi și a fluidelor intracelulare sub acțiunea vibrațiilor.Sub influența presiunii și a ultrasunetelor în țesuturi se produce fragmentarea proteinelor, ceea ce determină aderarea moleculelor de colagen la temperatură scăzută (=coaptare produsă la 37- 63 grade Celsius). La expunerea locală la energie pentru o perioadă lungă de timp, creșterea temperaturii duce la denaturarea proteinelor (=coagulare), la o temperatură maximă de 150 grade Celsius. Cu vibrații de înaltă frecvență datorate tensiunii, presiunii sau acțiunii combinate a acestor doi factori, apare o supraaglomerare rapidă a țesuturilor, care se intersectează ușor cu o lamă ascuțită sau cu vârful instrumentului (=tăiere).

BENEFICIILE BISTURIULUI ULTRASONIC

• Bisturiul cu ultrasunete produce doar vapori de apă fără fum, iar câmpul vizual chirurgical este clar;
• Efectul termic este mic, iar căldura de acțiune este de 80 ℃ ~ 100 ℃; Daune termice mici, în zona de 3 mm în jurul zonei afectate;
• Are funcțiile de tăiere, coagulare și separare a țesuturilor și poate controla cu precizie domeniul de tăiere și coagulare, poate scurta timpul de operare și poate reduce sângerarea intraoperatorie;
• Nicio posibilitate de deteriorare electrică;
• Mai puține cicatrici, escare ori complicații postoperatorii;
• Cicatrici mai fine și vindecare mai rapidă a rănilor;
• Oscilația rapidă are efect de auto-purificare, iar cuțitul nu va atinge țesutul;

CE ESTE INTERFERENȚA LUMINII?

Interferența reprezintă fenomenul de suprapunere a două sau mai multe unde care se întâlnesc într-un punct din spațiu. Pentru a obține un fenomen de interferență staționar, undele trebuie să aibă aceeași frecvență și să fie coerente, adică să aibă o diferență de fază constantă. Dacă undele care se întâlnesc sunt în fază, efectul lor se cumulează iar fenomenul este constructiv, iar dacă ele sunt în opoziţie de fază, efectul lor este distructiv putând fi chiar anulat.

NOȚIUNI NECESARE ÎNȚELEGERII FENOMENULUI DE INTERFERENȚĂ

• Unde coerente = unde caracterizate de aceeași frecventă, a căror diferență de fază rămâne constantă (undele pot fi coerente numai dacă provin de la aceași atomi ce aparțin unei singure surse). La suprapunerea undelor coerente, energia lor se redistribuie, realizând formarea unor maxime și minime ale amplitudinii undelor.
• Interfranja = distanta intre doua benzi luminoase, respectiv doua benzi intunecoase
• Franje de interferență = reprezintă distanţa dintre două maxime, respectiv, două minime consecutive de interferenţă
• Câmp de interferență = regiunea din spațiu în care are loc interferența undelor luminoase.
• Drum optic = produsul dintre distanța parcursă de unda luminoasă printr-un mediu transparent și indicele de refracție al acestuia

DEOSEBIRI ÎNTRE INTERFERENȚA UNDELOR MECANICE ȘI CEA A LUMINII

Interferența undelor electromagnetice din domeniul vizibil, ca și în cazul undelor mecanice, consta în suprapunerea a doua sau mai multe unde într-o zonă spațială.

Insa în cazul undelor mecanice, rezultatul interferenței se apreciază în funcție de amplitudinea undei rezultante în acel punct, iar în cazul luminii, rezultatul interferenței se apreciază dupa intensitatea luminoasă în punctul respectiv.

DISPOZITIVE INTERFERENȚIALE

METODE DE REALIZARE A FENOMENULUI DE INTERFERENŢĂ

Obtinerea undelor coerente pentru realizarea interferentei se face separand din fluxul luminos emis de o sursa monocromatica doua fascicule de lumina care ulterior se suprapun din nou in zona de interferenta. In acest scop se utilizeaza numeroase dispozitive, care se încadreaza în doua metode:
-metoda divizarii amplitudinii (exemplu: lama cu fete plan paralele)
-metoda divizarii frontului de unda ( exemplu: dispozitivul lui Young);

Dispozitive obținute prin divizarea amplitudinii frontului de undă

Cel mai cunoscut exemplu este lama cu feţe plan paralele, un paralelipiped semitransparent cu feţele opuse perfect paralele cu ajutorul căruia se obţin franje de interferenţă

Lumina monocromatică incidentă pe lamă suportă două reflexii pe cele două suprafețe ale lamei. Undele emergente sunt paralele și coerente deci interferă la infint. Figura de interferenţă obţinută cu lama cu feţe plan paralele este formată din cercuri concentrice luminoase şi întunecate alternând. Ele se numesc inele de egală înclinare sau inelele lui Heidinger.

Dacă observaţia se face în lumina albă, în locul inelelor întunecate şi luminoase, ce alterneaza între ele, se obţin inele ce conţin culorile spectrului. În felul acesta se obţin culorile peliculelor şi baloanelor de săpun.

SCHEMA LAMA CU FETE PLAN PARALELE

DISPOZITIVE OBȚINUTE PRIN DIVIZAREA AMPLITUDINII FRONTULUI DE UNDĂ

CCel mai cunoscut este dipozitivul Young cu două fante.

Este dispozitivul experimental tipic pentru divizarea frontului de undă şi constă dintr-un paravan plan opac P în care sunt prevăzute două aperturi (fante) aşezate simetric faţă de axul optic principal pe care se află sursa primară S, depinzând numai de lungimea de undă a radiaţiei incidente şi de parametrii geometrici (D,2a= l) ai dispozitivului, franjele fiind echidistante.

Cercetatorul Young a conceput in 1802 un model experimental care demonstra interferenta, utilizind o sursa punctuala de lumina So, ce trimitea radiatia luminoasa catre doua fante lungi, paralele si inguste (doua izvoare coerente de lumina) , S1 si respectiv S2, iar rezultatul era observat pe un panou de proiectie, unde aparea sub forma unor benzi inguste luminoase alternand cu benzi intunecoase

FACTORI CARE INFLUENȚEAZĂ FIGURA DE INTERFERENȚĂ

In anumite puncte din spatiu se vor forma zone cu aceeasi valoare a intensitatii rezultante numite franje de interferenta. Franjele pot fi de minim sau de maxim, în functie de valoarea amplitudinii rezultante.

Alti factori de care depinde figura de interferenta sunt:

• lungimea de unda (culoarea) a sursei de lumina
• intensitatea luminoasa a sursei de lumina
• distanta intre fante (in cazul disp. Young)
• distanta intre fante si ecran (in cazul disp. Young)
• distanta intre fante si sursa (in cazul disp. Young)

HOLOGRAFIA,
O ALTĂ APLICAŢIE A FENOMENULUI DE INTERFERENŢĂ

Holografia este o tehnică pentru înregistrarea şi reproducerea imaginilor obiectelor pe cale interferenţială. Spre deosebire de imaginile bidimensionale realizate prin fotografie sau televiziune, imaginea holografică este tridimensională. O astfel de imagine poate fi cercetată din diferite direcţii spre a vedea laturi diferite ale obiectului.

Pentru obţinerea hologramei, obiectul este iluminat cu lumină monocromatică şi coerentă, furnizată de o sursă laser, iar lumina reflectată de obiect ajunge pe o placă fotografică, unde se suprapune cu lumina care soseşte direct de la sursă, producând interferenţă. Pe film se imprimă o imagine complexă de interferenţă, în locurile de maxim filmul fiind mai înnegrit.

Pentru a vedea imaginea obiectului, filmul se iluminează cu aceeaşi lumină monocromatică şi coerentă de la o sursă laser, ca şi la înregistrare.

După developarea filmului şi obţinerea pozitivului, inelele de maxim vor corespunde zonelor transparente ale filmului

Pentru redare, se iluminează filmul (holograma) cu unde luminoase monocromatice plane, de aceeaşi lungime de undă ca la înregistrare.