Ezerarcú hang: infra, ultra és társaik (2.)
Cikkünk első részében többek között az infrahangokról olvashattak. A folytatásban az ultrahang természetes előfordulásáról – delfinekről, denevérekről – lesz szó, valamint érintjük a gyakorlati felhasználást, az MR segítségével végzett ultrahangsebészetet is.
Az ultrahang
Egy ágyú elsütésekor az ágyúcső nyílása mellett közvetlenül 0,001 W/cm2 hangenergia mérhető. Ugyanakkor az ultrahang egyes alkalmazásainál 10 W/cm2 vagy e feletti teljesítményekkel dolgoznak az anyagban, 1 MHz körüli frekvenciatartományokban. Ez olyan óriási intenzitás, mintha a fülünk mellett közvetlenül egyszerre 10.000 ágyút sütnének el!
Ez a bődületesen nagy hangenergia bűvös dolgokra képes – akusztikai jelenségek: kavitáció, állóhullám, szökőkútjelenség, hőhatás stb. – s bizony nem véletlenül keltette fel a fegyverek iránt érdeklődők figyelmét (is).
Már Horthy Miklós „csillagháborús” törekvései érintették az ultrahangot. Békésy György magyarázatára – aki 1961-ben kapott orvosi Nobel-díjat – szerencsére az ilyen irányú érdeklődés alábbhagyott hadászati berkekben. Távoli objektum irányított elpusztítása lehetetlen ugyanis ultrahanggal, mivel a hang kizárólag magas frekvencián irányítható jól; a hullámhossz csökkenésével egyenes arányban növekvő mértékben adszorbeálódik a levegőben, illetve bármely közegben.
Előfordulása a természetben
Gyakorlatilag két állatfaj kommunikációs eszközeként említhető meg.
A delfinek általában a tengerek felső, napsütötte rétegeiben vadásznak – főleg tiszta vizű részeken –, ezért a látásuknak is hasznát veszik valamelyest. De a delfinek érzékelésében a fülé a főszerep.
Az állat füle a szemek mögött található. A delfin „sztereóban” fogja fel a hangingereket. Ez lehetővé teszi a hangforrás irányának meghatározását. Folyamatosan rövid (ultra-) hangjeleket bocsát ki, amelyek visszaverődnek a környezet szilárd objektumairól. Az állat a jel kibocsátása és a visszhang visszaérkezése között eltelt időből meg tudja állapítani az objektum távolságát, és kiváló térhallása jóvoltából az irányát is.
A denevérek tájékozódási módszere kivételes. Ezek az állatok 70 millió évvel ezelőtt jelentek meg a Földön. Tájékozódásuk csak ultrahangok segítségével történik, ami a természetben egyedülálló. Ultrahang lokátoraik szempontjából két nagy családot különböztetünk meg.
A patkósorrú denevérek családja a 60 ezer és 120 ezer másodpercenkénti rezgésszámú ultrahangok tartományából használ egy meghatározott frekvenciát. A hangokat az orrukon át bocsátják ki. A simaorrú denevérek családja változó rezgésszámú kiáltásokat hallat. Ezek az állatok hangkibocsátásuk elején 120 ezer Herzről indulnak, és mire ez véget ér, 60 ezer Hz-nél tartanak, a hangokat pedig a torkukból bocsátják ki. A denevérek „hallókészüléke” hangszigetelten a koponyában található. Ezek segítségével nemcsak az áldozat irányát, de távolságát is be tudják mérni, valamint a tárgy alakja alapján azt is képesek megállapítani, hogy élelem van-e előttük vagy számukra értéktelen tárgy (Forrás: Mindentudás Egyeteme).
Rövid jellemzése
Az ultrahang 16 kHz frekvencia feletti mechanikai hullámokat jelent (emberi fül számára hallhatatlan, de kutyák és denevérek számára nem).
Fontos még tudni róla, hogy az ultrahangot aktív és passzív tartományokra oszthatjuk, vagyis megállapodás szerint az 1 W/cm2 teljesítmény alatt passzív, míg felette aktív ultrahangról beszélünk. A passzív ultrahangot anyagtulajdonságok vizsgálatára, míg az aktív ultrahangot főként az anyag tulajdonságainak megváltoztatására használjuk.
Gyakorlati felhasználása: ultrahangsebészet
Döbbenetesen sokrétűen alkalmazható az ultrahang (az összefoglalást l. külön keretben). Most egyetlenegy, korszerű terápiás módszert nézzünk meg közelebbről. Képzeljünk el egy sebészeti berendezést, melyben több transzdúcerrel (rezonátorral) előállítják az ultrahangsugarat, és ezt számítógéppel vezérelve fókuszálják a daganatra. A fókuszált sugár hőjének hatására abban a fehérjék denaturálódnak, majd felszívódnak. Ezzel a berendezéssel a műtét seb nélkül, ambulánsan végezhető.
A sebész az MR-képen kijelöli a denaturálandó területeket, majd a sugár a környező szövetek túlmelegedése nélkül, online kontroll mellett a kijelölt területen koncentrálódva – azt hozzávetőleg 30 oC-kal felmelegítve – elvégzi a kezelést.
Az orvos automatikusan előre beprogramozza a kezelés paramétereit, a szkenner pedig állandóan tájékoztatja arról, hogy hol tart a kezelés. Ha szükséges, akkor manuálisan vagy automatikusan közbe lehet avatkozni például a környező szövetek túlmelegedésének megelőzése vagy a sugár térbeli pozicionálása céljából.
A páciensnek eközben semmilyen fájdalma nincs. A beavatkozás után azonnal elhagyhatja a kórházat; nincs vágás és fertőzésveszély: munkaképes. Ez a hétköznapi csoda, az ultrahang egyre inkább mindennapjaink részévé válik.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSÁNAK ÖSSZEFOGLALÁSA:
1. Akusztikus levitáció
A hanggal lebegtetés az ultrahanghullámok légnyomását használja ki egy tárgy levegőben tartásához.
2. Nemlineáris akusztikai jelenségek: akusztikai áramlások
Tipikusan nemlineáris jelenség az akusztikai áramlás vagy „kvarcszél”; ez állandó folyadékmozgás, amit az intenzív ultrahang okoz. Az akusztikai keverőhatás alkalmazható az élelmiszeripar, vegyipar, környezettechnika stb. területén. A keverés mellett ugyanis megvalósítható a diszpergálás (emulzió és szuszpenzió készítése), a csírák serkentése vagy éppen gátlása, roncsolása. Szélsőséges, de az 1960-as években megoldott esetnek számít az ultrahangos bitumenkeverési eljárás aerodinamikus ultrahang-generátor segítségével.
2. 1. Atomizáció
Az atomizáció az akusztikai áramlás járulékos hatása.
Ez a jelenség az ultrahanggal besugárzott folyadékok – víz, fertőtlenítőszer, olvadt fémek – kiporlasztását jelenti.
Főbb alkalmazási területek:
– Akusztikus porlasztó: asztma kezelése
– Szökőkút jelenség: rakétatechnika
– Akusztikus porlasztó: járműtechnika
Az atomizáció kapcsán a folyadékszemcsék a gázközegbe kerülnek. Ezek a folyadékrészecskék hordozhatnak fertőtlenítő, gyógy- és növényvédő szert, bevonó-, festék- és üzemanyagot stb.
Érdekes jelenség alakul ki, amikor eltérő sűrűségű, egymással nem elegyedő folyadékok helyezkednek el egymás felett, és az ultrahang besugárzás alulról történik. Ekkor az alsó, nehezebb közeg felé alakul ki a szökőkút alakzat, és nincs kiporlasztás sem.
3. Akusztikai kavitáció
A kavitáció folyadékban történő üreg-vagy buborékképződést jelent.
3. 1. Tranziens tehetetlenségi kavitáció
A kavitációs üreg 1 akusztikai ciklus során megnövekszik, majd hevesen összeomlik. Pl. dolomitszemcsék ultrahangos eróziója, konvencionális ultrahangos sejtroncsoló.
3. 2. Stabil kavitáció
Akkor történik, ha a buborék számos cikluson keresztül oszcillál, a térből való távozás, vagyis felszínre vándorlás, illetve összeomlás nélkül; a depresszió alatt mérete csökken, majd az ellenkező fázisban újra kitágul, mivel gőzt tartalmaz.
4. Szonolumineszcencia
Fénykibocsátó üreg vagy buborék jelenlétét jelenti az ultrahang térben.
5. Az ultrahang hőhatása, hipertermia
A hanghullámok minden anyagban frekvenciájuktól, a hullám típusától, a hőmérséklettől, illetve az anyag tulajdonságaitól függő mértékben adszorbeálódnak a rezgési energia irreverzibilis hővé alakulása következtében. Ez a tény a hipertermia alapja.
Az ultrahang hőhatása természetesen könnyen elegendő a biológiai struktúrák és a kémiai folyamatok befolyásolásához. A koncentrált ultrahangsugár segítségével akár az emberi test bármely pontján elhelyezkedő objektum megcélozható, ahol a hőmérséklet-emelkedés hatására a fehérjék denaturációja következik be. A denaturálódott fehérjék pedig a test adott zónájából felszívódnak.
MR: a mágnesen magrezonancia képet mint egy három dimenzióban szkennelt, állandóan frissített emberitest-képet kell elképzelni, amelyen a beavatkozást végző orvos bejelöli a denaturálandó testterületet, és a koncentrált hangsugár tizedmilliméteres pontossággal elvégzi a kezelést.
Ezzel párhuzamosan az MR készülék folyamatosan követi a test hőmérsékletét, így a környező szövetek túlmelegedése nem következhet be. A túlmelegedés veszélyekor a berendezés átpozicionálhat vagy változtathatja a hangsugár intenzitását.
6. Az ultrahang sejtbiológiai hatásai
Miller és mások szerint az ultrahang in vitro sejtbiológiai hatásai 3 elemből tevődnek össze:
– termikus
– kémiai
– mechanikai mechanizmusok.
Harvey és mások úgy vélik, hogy amely sejt közelében tranziens kavitációs összeomlás történt, ott a sejtek roncsolódása következett be, melynek kapcsán a sejtfal felrepedt, az endoplazmatikus retikulum kitágult, a mitokondrium károsodott, és más szabálytalan mechanizmusok is felléptek.
Az ultrahang alkalmazásának fizikai alapjai
A baktériumok kizárólag ultrahangos elpusztítása nehézkes, de az ultrahang fel tudja erősíteni a konvencionális hőkezelés hatását. A folyamat felgyorsul, mivel a baktériumpakkok a besugárzás hatására diszpergálódnak, így javul a denaturálandó anyagok felé irányuló hőtranszport.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI TEHÁT:
-
a passzív ultrahang
– anyagvizsgálatok
– fémekben, keménysajtokban stb. lévő törések, repedések, anyaghibák kimutatása
– kőzetüregek, barlangok felkutatása
– olajipari alkalmazások
– geológiai és talajrétegek analízise
– orvosi képalkotó eljárások
– halfalkák felkutatása
– hajózás
– vágóállatok minősítése (EUROP)
– mikroszkopizálás
– áramlásmérők
– tartálybeli folyadékszintmérők (folyamatirányítás) -
Az aktív ultrahang
2. 1. Az ultrahang biotechnológiai és élelmiszer-ipari szerepe
2. 1. 1. Emulziók előállítása, habtörés
– tisztítás
– csírátlanítás
– keverés
– húspácolás gyorsítása
– húsok, csontok vágása
2. 1. 2. Szeparáció, ülepítés
2. 1. 3. A sejtek akusztikai stimulációja (szaporodás és termékképzés-serkentés)
2. 1. 4. Az ultrahang néhány konkrét élelmiszeripari, illetve könnyűipari alkalmazása:
– konzervek zárás előtti habzásának megszüntetése
– palackozás előtt álló termékek habosítása
– cipők, csizmák, textíliák mosása, tisztítása, fertőtlenítése
– fagyott húsok felengedése
– tészták kelesztésének gyorsítása
– helyiségfertőtlenítés
– rizs és más szemes termény mosása
– halhús fehérítése
– savanyúságokban a tejsavbaktériumok élettevékenységének serkentése
– egyes porított élelmiszerek nagy hatékonyságú szárítása
– hűtőgépek hűtési teljesítményének növelése
2. 2. Az ultrahang kémiai alkalmazásai
2. 2. 1. A kristályosodási fok, valamint az anyagi minőség meghatározása ultrahanggal
2. 2. 2. Ultrahang a galvanizálásban
– ultrahangos zsírtalanítás
2. 3. Az ultrahang terápia legújabb módszerei
Hipertermia: a rákos sejtek elpusztítása az abszorpciós koefficiens miatti hőmérséklet-emelkedés hatására kialakuló daganatsejt-fehérjék denaturálása alapján.
A XX. sz. első felétől kezdődően foglalkoznak az in vitro és az emberi testbeli rákos sejtek elpusztításával.
2. 3. 1. MR-re alapozott ultrahangsebészet
2. 3. 2. Magas intenzitású fókuszált ultrahang (HIFU)
Különbség az MR-től: itt a test átvilágítását nem mágneses magrezonancia, hanem ultrahang segítségével végzik.
2. 3. 3. Génmanipuláció ultrahanggal
Az ultrahang alkalmazható továbbá a szervezet célzott területére történő génbevitelre, szintén például a daganatos betegségek kezelése esetén. Ebben az esetben mikrobuborékokat és a géneket, gyógyszereket tartalmazó anyagot juttatnak a szervezetbe, majd az adott célterületre történő ultrahangsugárzás segítségével ezeket a mikrobuborékokat mint kavitációs magokat felrobbantják. Így a felsértett sejtmembránokon keresztül a terapeutikumok sejtbe juttatása biztosítottá válik, majd a sejtek regenerálódnak. Ezután a gén expresszálódik, kifejeződik, és a termelt fehérjéken (enzim stb.) keresztül fejti ki hatását.
2. 3. 4. Általános terápiás ultrahang alkalmazások
– fogkő eltávolítása
– kozmetikai célok (mélymasszázs, hajbeültetés stb.)
– ultrahangos vesekőzúzás
2. 4. Az ultrahang hétköznapi és háztartási felhasználásának lehetőségei
– a legtöbb tintasugaras nyomtató tintapatronjában is piezoelektromos kerámiákat alkalmaznak
– háztartási és ipari mosogatókban
– zsíros, odaégett szennyeződések eltávolítására
– ékszerek tisztítására
– ecsetmosásra
– fagyott húsok felengedésére
– inhalálásra
– mosógépben
– textilfehérítésre
– autómosófejben
– autóról és más felületekről való vízlepergetőben
– a használt tintasugaras és lézernyomtatóval nyomtatott lapokról való festékeltávolításra
– ultrahangos hegesztésnél, forrasztásnál
Jelen gyűjtemény Dr. Lőrincz Attila
Lőrincz, A. (2003): Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban (1. rész).
Laboratóriumi Információs Magazin, Biofizika rovat. XII. évfolyam, No. 5. pp. 45-49.
Lőrincz, A. (2003): Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban (2. rész).
Laboratóriumi Információs Magazin, Biofizika rovat. XII. évfolyam., No. 6. pp. 28-33.
Lőrincz, A. (2004): Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban (3. rész).
Laboratóriumi Információs Magazin, Biofizika rovat. XIII. évfolyam., No. 1.
Lőrincz, A. (2004): Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban (4. rész).
Laboratóriumi Információs Magazin, Biofizika rovat. XIII. évfolyam., No. 2.
Lőrincz, A. (2004): Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban (5. rész).
Laboratóriumi Információs Magazin, Biofizika rovat. XIII. évfolyam., No. 3.
cikkei nyomán készült.
A témával kapcsolatos bővebb információt a www.lorincza.hu oldalon találhat.
(LABINFÓ nyomán)
Hajduné Fábián Julianna