4. Dopuszczalne natężenie fal ultradźwiękowych w tkance Tarcie między cząsteczkowe i akumulacja energii przez cząsteczki może doprowadzić do

Podobne dokumenty
Sonochemia. Schemat 1. Strefy reakcji. Rodzaje efektów sonochemicznych. Oscylujący pęcherzyk gazu. Woda w stanie nadkrytycznym?

ĆWICZENIE 3 REZONANS AKUSTYCZNY

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Technika ultradźwiękowa w diagnostyce medycznej VII

SIRIO GŁĘBOKA STYMULACJA KAWITACYJNA

Zastosowanie ultradźwięków w technikach multimedialnych

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

Ultradźwięki. Literatura: A. Śliwiński, Ultradźwięki i ich zastosowania, WNT, Warszawa 2003 Notatki z wykładów (prezentacje)

POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU

Rodzaj/forma zadania. Max liczba pkt. zamknięte 1 1 p. poprawna odpowiedź. zamknięte 1 1 p. poprawne odpowiedzi. zamknięte 1 1 p. poprawne odpowiedzi

Problemy pomiaru ciśnienia i temperatury gazu w warunkach dużych prędkości. Juliusz Makowski Common S.A.

Sonochemia. Kawitacja. p(t) = p o + p s sin(2 f t) Oscylacje ciśnienia - - powstawanie naprężeń rozciągających w ośrodku

3. WYNIKI POMIARÓW Z WYKORZYSTANIEM ULTRADŹWIĘKÓW.

Termodynamika. Część 12. Procesy transportu. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Fale dźwiękowe. Jak człowiek ocenia natężenie bodźców słuchowych? dr inż. Romuald Kędzierski

Przykładowe poziomy natężenia dźwięków występujących w środowisku człowieka: 0 db - próg słyszalności 10 db - szept 35 db - cicha muzyka 45 db -

Ma x licz ba pkt. Rodzaj/forma zadania

Prawa gazowe- Tomasz Żabierek

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU Z BIO-

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów. Schemat punktowania zadań

MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU Z PODSTAW ZASTOSOWAŃ ULTRADŹWIĘKÓW W MEDYCYNIE (wyłącznie do celów dydaktycznych zakaz rozpowszechniania)

AUS Aparatura Ultrasonograficzna Wykład 2 jednostki. Lech Padee

Sonochemia. Dźwięk. Fale dźwiękowe należą do fal mechanicznych, sprężystych. Fale poprzeczne i podłużne. Ciało stałe (sprężystość postaci)

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Widmo fal elektromagnetycznych

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Zastosowanie ultradźwięków w kosmetologii. Słowa klucze: Ultradźwięki, fala dźwiękowa, infradźwięki, zjawisko kawitacji, sonoforeza, mikromasaż

KRYTERIA OCEN Z FIZYKI DLA KLASY I GIMNAZJUM

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy II gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

WYKONUJEMY POMIARY. Ocenę DOSTATECZNĄ otrzymuje uczeń, który :

Badanie widma fali akustycznej

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

E107. Bezpromieniste sprzężenie obwodów RLC

w diagnostyce medycznej

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

LABORATORIUM. Pomiar poziomu mocy akustycznej w komorze pogłosowej. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

2. Zapoczątkowanie kawitacji. - formy przejściowe. - spadek sprawności maszyn przepływowych

Rys.1 Rozkład mocy wnikającej do dielektryka przy padaniu fali płaskiej Natężenie pola wewnątrz dielektryka maleje wykładniczo. Określa to wzór: (1)

prędkości przy przepływie przez kanał

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (rzeczywistego) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH. Opracował. Dr inż. Robert Jakubowski

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Warunki izochoryczno-izotermiczne

DZIAŁ TEMAT NaCoBeZu kryteria sukcesu w języku ucznia

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Przedmiot zamówienia: Aparat USG z kolorowym Dopplerem oraz głowicami convexową, liniową, sektorową i endovaginalną

Focushape K R Ó T K I E W P R O WA D Z E N I E

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy I gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

Wyznaczanie prędkości dźwięku

Fale akustyczne. Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość. ciśnienie atmosferyczne

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

KONKURS PRZEDMIOTOWY Z FIZYKI dla uczniów gimnazjów. Schemat punktowania zadań

MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU Z PODSTAW ZASTOSOWAŃ ULTRADŹWIĘKÓW W MEDYCYNIE (wyłącznie do celów dydaktycznych zakaz rozpowszechniania)

DYNAMIKA ŁUKU ZWARCIOWEGO PRZEMIESZCZAJĄCEGO SIĘ WZDŁUŻ SZYN ROZDZIELNIC WYSOKIEGO NAPIĘCIA

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń. Przedmowa 15. Wprowadzenie Ruch falowy w ośrodku płynnym Pola akustyczne źródeł rzeczywistych

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

Prędkości cieczy w rurce są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni przekrojów rurki.

MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU Z PODSTAW ZASTOSOWAŃ ULTRADŹWIĘKÓW W MEDYCYNIE (wyłącznie do celów dydaktycznych zakaz rozpowszechniania)

TEMAT: PARAMETRY PRACY I CHARAKTERYSTYKI SILNIKA TŁOKOWEGO

b) Wybierz wszystkie zdania prawdziwe, które odnoszą się do przemiany 2.

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

przetwornik + dziwne zwierciadło 2 układ pozwala na zmianę punktu ogniskowania. Zastosowanie: obserwacje mikroskopowe

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

Przygotowała: prof. Bożena Kostek

wrzenie - np.: kotły parowe, wytwornice pary, chłodziarki parowe, chłodzenie (np. reaktory jądrowe, silniki rakietowe, magnesy nadprzewodzące)

Praktyczne aspekty ultrasonografii jamy brzusznej u małych zwierząt

Schemat punktowania zadań

Zasady oceniania karta pracy

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

7. Wyznaczanie poziomu ekspozycji

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

SPIS TREŚCI Obliczenia zwężek znormalizowanych Pomiary w warunkach wykraczających poza warunki stosowania znormalizowanych

Badanie USG - diagnostyka prenatalna

SPRĘŻ WENTYLATORA stosunek ciśnienia statycznego bezwzględnego w płaszczyźnie

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

PRZYKŁADY CHARAKTERYSTYK ŁOŻYSK

b) Wybierz wszystkie zdania prawdziwe, które odnoszą się do przemiany 2.

Doświadczenie B O Y L E

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

FIZYKA KLASA 7 Rozkład materiału dla klasy 7 szkoły podstawowej (2 godz. w cyklu nauczania)

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

Rodzaj/forma zadania Uczeń odczytuje przebytą odległość z wykresów zależności drogi od czasu

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Ćwiczenie nr 15 TEMAT: Badanie tłumienia dźwięku w wodzie. 1. Teoria

POMIAR STRUMIENIA PŁYNU ZA POMOCĄ ZWĘŻEK.

Plan wynikowy fizyka rozszerzona klasa 3a

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

w diagnostyce medycznej III

KOOF Szczecin:

Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Uzasadnienie techniczne zaproponowanych rozwiązań projektowanych zmian w

Świat fizyki Gimnazjum Rozkład materiału - WYMAGANIA KLASA II

Wyniki pomiarów okresu drgań dla wahadła o długości l = 1,215 m i l = 0,5 cm.

J. Szantyr Wykład nr 26 Przepływy w przewodach zamkniętych II

Transkrypt:

4. Dopuszczalne natężenie al ultradźwiękowych w tkance Tarcie między cząsteczkowe i akumulacja energii przez cząsteczki może doprowadzić do podgrzania tkanki i uszkodzeń komórek. Zjawiska rezonansowe i intererencyjne w ośrodku niejednorodnym mogą spotęgować niekorzystne zjawiska oraz uwypuklić eekty mechaniczne oddziaływania ali z tkanką. Występująca za streą kompresji strea rozrzedzenia materii, czyli strea obniżonego ciśnienia, może w płynach tkankowych generować pęcherzyki pary lub pęcherzyki gazów rozpuszczonych, tzw pęcherzyki kawitacyjne. Gdy objętość pęcherzyków kawitacyjnych wzrośnie do poziomu, od którego zaczną na ich granicach występować eekty rezonansowe, to pęcherzyk już tylko rośnie lub pozostaje stabilny, a siły i przyspieszenia pojawiające się na granicy pęcherzyka mogą prowadzić do eektywnego niszczenia tkanek. Ocena ryzyka, związanego z badaniem przy pomocy aparatu ultradźwiękowego nie jest jednak sprawą prostą. Wspomniane powyżej eekty mają miejsce przy dużych natężeniach ali ultradźwiękowej, kilkakrotnie wyższych, niż występujące w aparatach USG. W normalnych warunkach przy ocenie ryzyka bierze się pod uwagę kilka elementów, składających się na tę ocenę: 1. Metodyka pomiarowa, pozwalająca na precyzyjne określenie dawki ultradźwiękowej, pochłoniętej przez pacjenta podczas badania. 2. Wyodrębnienie i analiza mechanizmów oddziaływania ultradźwięków z materią ośrodka. 3. Badania in vitro oddziaływań ultradźwięków na istotne rodzaje tkanek i komórek. 4. Badania na zwierzętach przy natężeniach ali ultradźwiękowej porównywalnych z natężeniami stosowanymi w badaniach USG ludzi. 5. Badania epidemiologiczne populacji ludzkiej, poddanej badaniom ultradźwiękowym. Aby zasygnalizować skalę problemów przy ocenie ryzyka, zatrzymajmy się przez chwilę przy punkcie pierwszym. Dawkę ultradźwiękową określa się, mierząc energię niesioną przez alę ultradźwiękową i wydzieloną w jednostkowej objętości tkanki. Energii ali jednakże bezpośrednio mierzyć nie potraimy, mierzymy zatem ciśnienia, wytwarzane przez alę ultradźwiękową. Rozkład ciśnień, szczególnie w polu bliskim, jest silnie zróżnicowany, powinniśmy mieć więc możliwość przemieszczania czujnika ciśnienia. Jest to trudne w tkance, łatwe w środowisku wodnym. Zastosowanie środowiska wodnego eliminuje jednakże część zjawisk: odbicia na granicach tkanek i związane z tym ale stojące, intererencje, rozpraszanie ali i jej tłumienie. Wybierając zatem metodykę pomiarową musimy wybierać między jakością i dokładnością samego pomiaru a dokładnością odwzorowania tkanki i zachodzących w niej zjawisk. Rozkład ciśnień w ośrodku podczas przechodzenia ali ultradźwiękowej jest silnie zróżnicowany, zarówno przestrzennie jak i czasowo. Zróżnicowanie przestrzenne bierze się pod uwagę w kierunku prostopadłym do kierunku propagacji ali i wzdłużnym, zróżnicowanie czasowe wyznaczane jest niezależnie.

Często operuje się wartościami średnimi, sposób wyznaczania średniej opisywany jest systemem indeksów: Uśrednianie w przestrzeni spatial averaging, Uśrednianie w czasie temporal averaging, Stąd oznaczenia, spotykane w normach i opisach technicznych: I SPTP albo I 0 spatial peak, temporal peak intensity, - najwyższe natężenie. chwilowe I m maksimum intensity, - natężenie uśrednione w czasie t 1/2 I SPPA spatial peak, pulse averaged - szczytowa wartość przestrzenna, uśredniona za czas trwania impulsu. I SPTA spatial peak, temporal averaged - szczytowa wartość przestrzenna, uśredniona w czasie. I SATP spatial averaged, temporal peak szczytowa wartość chwilowa, uśredniona przestrzennie. I SAPA spatial averaged, pulse averaged uśredniona wartość przestrzenna, uśredniona za czas trwania impulsu. I SATA spatial averaged, temporal averaged uśredniona wartość przestrzenna, uśredniona w czasie. Normy FDA (USA) ograniczają natężenie ultradźwięków (wyznaczane przy powierzchni lub w ognisku, bierze się pod uwagę większą wartość) do poziomu uzależnionego od rodzaju badania. Rodzaj badania Dorośli Kończyny i naczynia obwodowe Kardiologiczne Brzuszne, neurologiczne Otalmologiczne Dzieci i dzieci nienarodzone I SPPA [W/cm 2 ] 350 350 350 110 350 I SPTA [mw/cm 2 ] 1500 730 180 68 180 Przy wyliczaniu zagrożeń FDA zaleca, aby przyjąć = 0,3 db/cm/mhz 44

Natężenie promieniowania ultradźwiękowego można wyznaczyć na podstawie zmierzonego ciśnienia, posługując się zależnością: 2 pm I = 2ρc Przykładowe wartości natężeń promieniowania akustycznego i wiążących się z tym ciśnień w ośrodku przedstawiono w poniższej tabeli: Natężenie Ciśnienie [W/cm 2 ] [Mpa] [atm] 0,001 0,004 0,04 0,01 0,0126 0,126 0,1 0,04 0,4 1 0,126 1,26 10 0,4 4 100 1,26 12,6 Typowe natężenia ultradźwięków, wytwarzane przez współczesne aparaty diagnostyczne przedstawiono poniżej. I SATA I SPTA I SPTP Rodzaj badania Moc akust [mw] [mw/cm 2 ] [mw/cm 2 ] [W/cm 2 ] Ciśnienie [atm] Prezentacja B i M 0,1 20 0,01-20 0,6 200 0,4-700 1,7-50 Głowica sektorowa 3,5 20 0,4 20 45 160 50 250 1,7 27 Głowica liniowa macierzowa 0,1 33 0,06-10 0,1 12 0,2-120 1,1 17 Doppler PW kardiologia 8 24 3 32 50 200 3 1400 Doppler PW położnictwo 1 18 0,26-25 0,6 75 Okulistyczne 0,02 0,06 0,07 0,2 0,2 0,6 Doppler CW naczyniowe 6 105 38 840 110-2500 Doppler PW naczyniowe 6 10 87 175 350 700 1 12 Doppler CW położnictwo 1 37 0,2 20 0,6 80 Pewnym utrudnieniem w analizie szkodliwości ultradźwięków jest akt, że niektóre ze zjawisk mają charakter progowy, poniżej pewnych natężeń al ultradźwiękowych nie występują. Najmniejszą zależność od natężenia ali wykazują eekty termiczne, ilość generowanego ciepła jest w zasadzie proporcjonalna do natężenia ali. 45

Eekty cieplne Eekty cieplne generowane ultradźwiękami zależą od gęstości wydzielonej w tkance mocy. By ją oszacować, należy wziąć pod uwagę zależność opisującą osłabianie ultradźwięków I = I 0 e - x Pochodna tej zależności wyniesie di µ x = µ I 0 e dx Przy powierzchni przetwornika, gdzie natężenia ali są największe, x0 i wyrażenie di to przyjmuje wartość = µ I 0 dx Traktując tę zależność przyrostowo i pamiętając deinicję natężenia ali otrzymamy P = - I 0 s x = - I 0 v Stąd gęstość mocy P = µ I 0 v A zatem gęstość mocy przy natężeniu ali 1W/cm 2 wyniesie około 0,1W/cm 3. Przy tej gęstości mocy szybkość przyrostu temperatury tkanki miękkiej wyniesie 0,024ºC/s, czyli 1,44 o C/min (nie uwzględniając odpływu ciepła). Dokładniejsze wartości dla natężenia ali 1W/cm 2 podano w poniższej tabeli: Rodzaj tkanki Współczynnik osłabiania dla 3,5MHz db/cm Szybkość generacji ciepła J/cm 3 /s Pojemność cieplna J/cm 3 / o C Przyrost temperatury C/s Tkanka miękka - 1,52 0,35 3,8 0,09 Kość - 45,6 10,5 2,5 4,2 Przyrost temperatury wzdłuż osi wiązki jest niejednakowy i stanowi wypadkową natężenia ali (gęstości mocy) i współczynnika osłabiania. Typowy rozkład szybkości generacji ciepła przedstawiono na poniższym wykresie. T [ o C] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 x [cm] 46

Eekty biologiczne oddziaływania termicznego zależą od czasu ekspozycji. Granicę występowania eektów biologicznych przedstawiono na poniższym wykresie. T [ o C] 43 42 41 40 39 38 37 0 25 50 75 100 t [min] Eekty termiczne znajdują zastosowanie w terapii, która prowadzona jest w zakresie częstotliwości poniżej i około 1MHz. W aparatach diagnostycznych występowanie eektów termicznych stanowi jednakże element niepożądany. Stopień zagrożenia występowaniem eektów termicznych podawany jest za pośrednictwem tzw Indeksu Termicznego, wyznaczanego oddzielnie dla tkanki miękkiej TIS, tkanki kostnej TIB, i kości czaszki TIC. Indeks termiczny jest ilorazem mocy traconej P do mocy odniesienia P deg, podnoszącej temperaturę tkanki o 1 o C. P TI = W zależności od sytuacji jest kilka algorytmów obliczania indeksu termicznego. Różnią się one między sobą postacią równania empirycznego, używanego do wyznaczenia mocy odniesienia P deg. W większości przypadków P deg P 210 deg gdzie P deg [mw] moc odniesienia, [MHz] częstotliwość. Przy wyborze algorytmu należy się kierować parametrami wiązki ultradźwiękowej, to znaczy jej szerokością i zbieżnością, przestrzennym rozkładem mocy (obraz skanowany albo z jednego promienia), aktem czy obliczamy indeks w ognisku czy przy powierzchni głowicy a przy obliczaniu indeksów kostnych położeniem kości względem ogniska i powierzchni głowicy. 47

Algorytm Rodzaj tkanki Rodzaj obrazowania Sytuacja. 1 2 3 4 5 6 Miękka Miękka Miękka Miękka i kostna Miękka i kostna Miękka i kostna Pojedyncza wiązka. Pojedyncza wiązka. Skanowany obraz. Skanowany obraz. Pojedyncza wiązka. Wiązka lub skanowanie. Szeroka wiązka. Wąska wiązka. Określany na powierzchni. Tkn miękka na powierzchni. Kość w ognisku. Kość na powierzchni. Algorytm 1. Tkanka miękka, pojedyncza i szeroka wiązka. Powierzchnia nadźwiękowienia większa niż 1cm 2. W pewnej odległości od przetwornika wiązka może być ogniskowana. Jeżeli przekrój wiązki jest mniejszy od 1cm 2, do obliczeń bierzemy rozkład mocy. Jeżeli przekrój wiązki jest większy od 1cm 2, w obliczeniach uwzględniamy natężenie strat, mnożone przez powierzchnię jednostkową 1cm 2 wiązki. Wyznaczamy zbiór par takich wielkości dla wszystkich odległości od przetwornika, poza ognisko wiązki. Z każdej pary wybieramy mniejszą z liczb, jako tę, która wiąże się z przyrostem temperatury. Z tego zbioru wybieramy największą i na jej podstawie wyznaczamy indeks termiczny. 2 [( P(, I( x1cm ) min ] max TIS = 210 Przydługie wywody, dotyczące sposobu obliczania indeksu termicznego najlepiej zilustrować przykładem: Moc akustyczna na powierzchni tkanki: 100mW, Częstotliwość: 5MHz. Przetwornik: Pojedynczy, dużej średnicy, ogniskujący. Rozkład mocy i natężeń promieniowania: X P( I(x1cm 2 (P,Ix1cm 2 ) min [cm] [mw] [mw] [mw] 1 70,8 40 40 2 50,1 45 45 3 35,5 40 35,5 4 25,1 60 25,1 5 17,8 150 17,8 6 12,6 125 12,6 7 8,9 60 8,9 8 6,3 6 6,9 Max = 45 mw Stąd indeks termiczny: 45 TIS = = 1,07 210 5 48

Algorytm 2. Tkanka miękka, pojedyncza, wąska wiązka. Powierzchnia nadźwiękowienia mniejsza od 1cm 2. Maksymalna gęstość mocy wystąpi przy powierzchni tkanki. Indeks termiczny wyznaczany jest z prostej zależności P0 TIS = 210 Algorytm 3. Tkanka miękka, obraz skanowany. Maksimum temperatury pojawia się przy powierzchni. Jeżeli powierzchnia nadźwiękawiania tkanki znacznie przekracza 1cm 2, w obliczeniach wprowadza się modyikacje podobne do tych w algorytmie 1, maksymalną gęstość mocy w unkcji głębokości oznaczamy P x. Indeks termiczny oblicza się według wzoru Px TIS = 210 Algorytm 4. Tkanka kostna w ognisku, obraz skanowany. Wyznaczamy gęstość mocy P x przy powierzchni kości. Indeks termiczny Px TIS = 210 49

Algorytm 5. Tkanka miękka, kość w ognisku wiązki pojedynczej. Średnica wiązki w ognisku może być obliczona z mocy i natężenia promieniowania w ognisku: 4 P( d = π I( Moc odniesienia wyznaczamy z zależności P( P deg = 50 I ( Indeks termiczny P( P( I( TIB = = P 50 deg W przypadku wiązek o małej średnicy, gdy powierzchnia nadźwiękowienia jest mniejsza niż 1cm 2, indeks termiczny TIB = 0,227 P( Algorytm 6. Tkanka kostna przy powierzchni, skaner lub pojedyncza wiązka. Tłumienie ali w tkance miękkiej jest pomijalne, całe straty mocy występują w tkance kostnej. Sumując uśrednione w czasie natężenie po całej powierzchni nadźwiękawianej otrzymamy moc P 0, równą praktycznie mocy strat P 0. Indeks termiczny P0 TIC = 40 d gdzie d średnica wiązki w cm. 50

Eekty mechaniczne Źródłem eektów mechanicznych są generowane w ośrodku przez alę ultradźwiękową siły i ciśnienia. Towarzyszące propagacji ali ale ciśnienia wymagają przemieszczeń masy i związanych z tym naprężeń i mikroprzepływów. Najeektywniejsze oddziaływanie mechaniczne, prowadzące do niszczenia struktur biologicznych, występuje w obecności pęcherzyków kawitacyjnych. Pęcherzyki kawitacyjne powstają w streie obniżonego ciśnienia (ciśnień ujemnych) na skutek parowania cieczy lub wydzielania się gazów rozpuszczonych. Przy średnich natężeniach ali możemy mieć do czynienia z tzw kawitacją trwałą, w której pęcherzyki osiągają wymiary rezonansowe. Żeby wystąpiły eekty rezonansowe, średnica pęcherzyka musi osiągnąć 3,6m przy częstotliwości 1MHz, 0,95m przy częstotliwości 5MHz i 0,56m przy częstotliwości 10MHz. Po osiągnięciu rozmiarów rezonansowych pęcherzyki kawitacyjne nie zanikają, a amplituda ich drgań oraz siły i ciśnienia na granicy pęcherzyka wzrastają Q-krotnie. Są one wówczas wystarczające do niszczenia błony komórkowej a nawet zrywania wiązań chemicznych dużych cząsteczek. Kawitacja trwała występuje już przy natężeniach ali CW SP rzędu 80mW/cm 2. Przy większych natężeniach ali pojawia się bardzo gwałtowna kawitacja przejściowa, której towarzyszą zjawiska nieliniowe, zachodzące wewnątrz i na granicach pęcherzyków. Podczas zapadania się pęcherzyka, na chwilę przed jego kolapsem, prędkość zapadania osiąga prędkość dźwięku, temperatura sprężanego gazu osiąga kilka tysięcy o C, a ciśnienie 10 9 Pa. Z chwilą kolapsu pęcherzyka powstaje ala uderzeniowa. W tych warunkach nawet trwałe cząsteczki wody dysocjują na H + i OH -, inne cząsteczki tym bardziej. Powstają wolne rodniki, możliwość powstawania związków toksycznych i rozwoju nowotworów. Jeżeli w ośrodku są zarodniki pęcherzykowe o średnicy od ułamków do 1m to kawitacja przejściowa może wystąpić już przy natężeniach progowych 1 2 W/cm 2 przy częstotliwości 1MHz i 20 40 W/cm 2 przy częstotliwości 10MHz. Uszkodzenia DNA w roztworach pojawiają się przy natężeniach 25 72 W/cm 2. Jeżeli w ośrodku nie ma zarodników pęcherzykowych, natężenie progowe, przy którym pojawia się kawitacja przejściowa, wynosi 1500 W/cm 2 (I SPTP ) lub wyżej. Ryzyko związane z eektami mechanicznymi wyrażane jest poprzez wyznaczenie indeksu mechanicznego. Ryzyko wystąpienia kawitacji jest większe przy większych ciśnieniach i mniejszych częstotliwościach. W optymalnych dla eektów kawitacyjnych warunkach indeks mechaniczny deiniowany jest jako pm MI = gdzie p m - maksymalne rozrzedzenie, szczytowe ciśnienie ujemne, [Mpa]. - częstotliwość ali [MHz]. Całe wyrażenie jest mnożone przez czynnik normalizujący 1 MHz /1Mpa. Indeks mechaniczny jest zatem wielkością bezwymiarową. Indeks mechaniczny powinien osiągać większe wartości, gdy wiązka penetruje tkankę silnie nasyconą gazami i mniejsze, gdy to nasycenie jest mniejsze. Jednakże uproszczona deinicja nie uwzględnia tego zróżnicowania. Nie jest ono możliwe do uwzględnienia także w algorytmach obliczeniowych indeksu mechanicznego, 51

stosowanych w aparatach USG. A zatem bierze się pod uwagę tylko najgorszy przypadek. Aparaty USG, w których dowolny z indeksów może przekraczać wartość 1, powinny wyświetlać aktualną wartość wszystkich indeksów. Wartości indeksów nie muszą być wyświetlane, jeżeli nie przekraczają liczby 0,4. Podsumowując zagadnienia bezpieczeństwa: uważa się, że natężenie ali ultradźwiękowej I SPTA wnoszące do 100mW/cm 2 uznawane jest za całkowicie bezpieczne w każdych warunkach. Natężenie I SPTA rzędu 1 W/cm 2 do tej pory uznawano za jeszcze bezpieczne, jednakże w ostatnich publikacjach są wzmianki o zaobserwowaniu eektów kawitacyjnych, należy się zatem spodziewać, że dopuszczalne natężenia ali ultradźwiękowej zostaną w najbliższym czasie obniżone. 52