От чего зависит степень ударной волны
Перейти к содержимому

От чего зависит степень ударной волны

  • автор:

Ударная волна

При взрыве фугасной бомбы вблизи нее в воздухе образуется область высокого давления, распространяющаяся затем в виде так называемой ударной волны. Свойства и особенности ударных волн представляют большой интерес, так как их действием объясняются многие разрушительные эффекты, сопровождающие взрыв. Ударные волны во многих отношениях отличаются от гораздо более известных звуковых волн. Звуковые волны представляют собой последовательность периодически повторяющихся уплотнений и разрежений среды, распространяющихся со «скоростью звука» с.

Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации

Для воздуха при нормальных температуре и давлении, как известно, с = 330 м/сек; для воды с = 1400 м/сек; для стали с = 5000 м/сек.

Если регистрировать в какой-либо точке звуковой волны изменения давления с течением времени, то будет наблюдаться картина, изображенная на рис. 1. По ординате на этом рисунке отложено избыточное давление, т. е. разность между давлением в волне и давлением при отсутствии волны. Величина избыточного давления даже для сильных звуков не превосходит обычно десятой доли атмосферы.

Аналогичные наблюдения в случае ударной волны обнаруживают совершенно другую картину (рис. 2). Ударная волна имеет чрезвычайно резкий и крутой передний фронт. Для наблюдателя, на которого набегает ударная волна, избыточное давление, равное нулю до прихода фронта, затем внезапно достигает максимального значения; дальнейшее изменение давления ясно из рисунка: оно падает и переходит в область пониженных значений В. Максимальное давление в ударной волне может достигать нескольких атмосфер, т. е. нескольких килограммов на квадратный сантиметр. При удалении от источника интенсивность волны быстро убывает (рис. 2). В отличие от случая звуковой волны, это обстоятельство объясняется не только геометрическими причинами — увеличением площади фронта волны по мере того как этот сферический фронт расходится от источника, но и в большой степени поглощением энергии волны. Это поглощение энергии связано с сильным нагреванием газа в области за волновым фронтом. Температура непосредственно за фронтом может достигать многих сотен градусов. Поэтому газ после прохождения волны светится, что может быть зафиксировано на фотопластинке.

Далее, если ударная волна распространяется во взрывчатой смеси, то, при известных условиях, она уже не затухает, так как ее энергия восстанавливается за счет теплоты, выделяемой при сгорании смеси. В этом случае говорят о «детонационной волне», или «взрывной волне».

Скорость распространения фронта ударной волны всегда больше скорости звука в данной среде и может достигать в газе значений в 2000 — 3000 м/сек.

Не останавливаясь подробнее на теории ударных волн, развивавшейся Риманом, Гюгоньо, Жуге и др., перейдем к описанию разрушительных действий, связанных с этими волнами 1 .

Действием ударной волны в воздухе объясняется большинство «малых» эффектов, сопровождающих взрыв. Важнейшим из них является выдавливание оконных стекол. Большинство стекол разлетается при падении на них волны с избыточным давлением, меньшим одной атмосферы. Человек при таком ударе не подвергается опасности. Только давления в несколько (5—6) атмосфер, могущие иметь место вблизи разорвавшейся бомбы, способны принести существенный вред людям. Основное действие волна, проникая в грудную клетку, производит на легкие, которые при этом сильно вдавливаются.

Многие эффекты взрыва, иногда кажущиеся очень странными, объясняются условиями распространения ударных волн вдоль улицы. Подобно другим волнам, ударные волны отражаются от препятствий и, в частности, от стен домов. Поэтому в результате многократных отражений различных типов вдоль улицы бежит волна с известной периодичностью. Вдалеке от места взрыва, где интенсивность волны недостаточна для выдавливания стекол, в силу этой периодичности отдельные стекла все же разлетаются. Именно разбиваются те стекла, собственная частота колебаний которых близка к частоте волны.

За фронтом ударной волны воздух не неподвижен, а имеет некоторую скорость. Связанный с этим движением газа ветер может сбивать людей с ног, сбрасывать легкие предметы и т. п.

Третий вторичный эффект, связанный с распространением ударных волн, наблюдается в узких улицах. Волна, сжатия, распространяясь вдоль улицы, выгоняет из нее воздух. Образующееся таким образом разрежение воздуха на улице вызывает вырывание окон и дверей наружу, причем это действие волны может быть более разрушительным, чем первичный удар волнового фронта.

Весьма интересно поведение ударной волны при огибании различных предметов. Обычные звуковые волны имеют часто длину волны, равную нескольким метрам или даже десяткам метров. Такие длинные волны способны огибать препятствия, и потому позади небольших стен и домов звук, падающий на эти препятствия, слышен. Звуковые волны загибаются вокруг краев препятствий и таким образом не дают резкой звуковой «тени». Короткие звуковые, а в еще большей мере так называемые ультразвуковые волны, напротив, дают «тень» от предметов обычных размеров, так же как и световые волны 2 . Ударная волна не имеет какой-либо определенной длины. Однако можно доказать строго математически, что часть А (рис. 2) ударной волны, в которой имеет место уплотнение воздуха, может быть представлена как результат наложения довольно коротких волн (ширина области сжатия, а следовательно и длина образующих эту область волн — порядка метра и меньше). Часть В волны, в которой имеет место разрежение, характеризуется значительно большими длинами волн. Из сказанного выше следует, что уже за сравнительно небольшие препятствия проникает лишь часть В ударной волны. Действие этой разреженной части ударной волны значительно меньше эффектов, связанных с частью А. Поэтому практически уже небольшие стенки, ямы и т. п. предохраняют от действия ударных волн. В соответствии с этим в Англии перед дверьми убежищ иногда возводится дополнительная стенка.

Выше мы говорили только об ударных волнах, распространяющихся в воздухе. Волны в некотором смысле сходного типа распространяются также в земле и других твердых телах. Их действие во многом подобно имеющему место при землетрясениях.

Комментарии к статье

1 В связи с войной интерес к действию ударных волн сильно повысился. Поэтому, например, в Англии были предприняты специальные исследования этого вопроса. Некоторые их результаты приведены в статье видного английского физика Бернала (Nature, № 3733, 1941 Г.), из которой заимствован рис. 2 и ряд данных.

2 Когда из-за угла приближается оркестр, то сначала слышны низкие звуки (длинные волны).

Что такое ударные волны?

Сегодня ударные волны находят широкое применение в медицине. Если первоначально они использовались только для дробления камней в почках, то теперь их применяют, например, в ортопедической болеутоляющей терапии или для лечения пациентов с болезнью Альцгеймера.

Чтобы понять насколько широким может быть этот спектр применения, стоит ознакомиться с физическими свойствами ударных волн, которые отвечают за различные медицинские эффекты:

Генерируемые экстракорпоральным методом ударные волны и волны давления используются сегодня в самых разных областях медицины. В зависимости от типа применения говорят об экстракорпоральной ударно-волновой терапии (ЭУВТ) или при урологическом лечении камней — об экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии (ЭУВЛ).

Этот метод неинвазивной терапии появился в 60-х годах прошлого столетия. Тогда же родилась идея генерировать ударные волны вне организма и вводить их в него, чтобы разрушать камни в почках и желчном пузыре, не повреждая находящиеся перед ними ткани.

Первое успешное дробление камней у человека 1,2,3 было проведено профессором доктором Кристианом Шосси в феврале 1980 года в Мюнхене. Впоследствии ударные волны стали все чаще использоваться и в других областях, например при псевдоартрозах 4,5 или в местах крепления сухожилий 6 . К настоящему времени появилось множество других областей применения — потенциал метода лечения, похоже, далеко не исчерпан.

Ударные волны впервые были использованы на пациентах в начале 1980 года для дробления камня в почке.

Ударные волны в сравнении с волнами давления

На практике используются как фокусированные ударные волны, так и радиальные волны давления. Радиальные волны давления зачастую называют радиальными ударными волнами, хотя, с физической точки зрения, это некорректно.

Ударные волны и волны давления отличаются не только методом генерирования, но и обычно используемыми физическими параметрами и терапевтической глубиной проникновения в ткани.

Это краткое изложение содержит важные базовые сведения о физике, технологии и различиях в формах применения. Если после прочтения данной статьи у вас возникнут вопросы, будем рады ответить на них по адресу Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript. .

Радиальные волны давления часто называют радиальными ударными волнами, хотя с физической точки зрения это некорректно.

Фокусированные ударные волны

Что такое ударные волны?

Ударные волны — это звуковые волны. В атмосфере они возникают при взрывообразных процессах — например, при детонации, ударах молнии или когда самолет преодолевает звуковой барьер. Ударные волны — это акустические импульсы, характеризующиеся высокими положительными амплитудами давления и очень резким повышением давления по сравнению с давлением окружающей среды. Они могут кратковременно передавать энергию из точки возникновения на большие расстояния, вызывая, например, бой оконных стекол.

Ударные волны распространяются взрывообразно и могут разбить оконные стекла на большом расстоянии.

Ударные волны в сравнении с ультразвуком

Ударные волны схожи с ультразвуковыми волнами. Существенное различие: амплитуды давления ударных волн очень велики, поэтому необходимо учитывать эффект скачка (рис. 3), обусловленный нелинейностью среды распространения (вода, ткани человека). Следующее различие: ультразвук обычно представляет собой периодические колебания с узкой полосой пропускания (рис. 1). Ударные волны, наоборот, характеризуются одним, преимущественно положительным импульсом давления, за которым следует сравнительно низкая составляющая растяжения (отрицательный импульс давления) (рис. 2). Такой импульс содержит частоты от нескольких килогерц до более чем 10 мегагерц. 1,7,8

Временной профиль ультразвуковой волны

Временной профиль ударной волны

Скачок волны при нелинейном распространении

Ударные волны — это импульсы, ультразвук — это непрерывные колебания.

Источники ударных волн в медицине

Генерирование фокусированных ударных волн

Фокусированные ударные волны могут генерироваться электрогидравлическим, пьезоэлектрическим или электромагнитным методом (рис. 4). При электрогидравлическом методе генерирования ударные волны формируются непосредственно в источнике ударной волны. При пьезоэлектрическом и электромагнитном методе ударные волны возникают только в результате скачка и наложения — и, таким образом, только в фокусной зоне, месте наибольшей интенсивности.

Для медицинского применения особенно важен тот факт, что по-разному генерируемые ударные волны, как правило, имеют фокусные области разного размера. Наименьший фокус формируют пьезоэлектрические ударные волны, наибольший — электрогидравлические. Из этого следует, что доза, необходимая для лечения, частично зависит от соответствующего типа прибора. 1,8

Пример: Электромагнитный принцип генерации ударных волн

Генерирование ударных волн

Метод электромагнитной генерации ударных волн основан на физическом принципе электромагнитной индукции. Он позволяет очень точно дозировать применяемую энергию ударных волн. В идеале источник ударной волны здесь основывается на цилиндрической катушке и отражателе в виде параболоида вращения. В результате фокусная зона определяется очень точно и может правильно воспроизводиться как в осевом (по глубине), так и латеральном направлении. Благодаря относительно большому отверстию источника ударной волны по отношению к размеру фокуса, энергия ударной волны может быть передана в тело практически безболезненно через соответственно большую поверхность входа. Энергия высвобождается, по сути, только в относительно небольшой фокусной зоне внутри тела (рис. 5).

Генерируемые электромагнитным методом ударные волны относительно безболезненны и обеспечивают очень точную дозировку.

Распространение фокусированных ударных волн

Ударные волны — это звуковые волны. Для распространения им необходима среда, такая как вода или воздух. В медицинских целях для распространения ударных волн обычно используется вода. В ней ударные волны генерируются вне тела, а затем вводятся в биологическую ткань. Поскольку ткань состоит в основном из воды, она имеет очень схожие свойства передачи звука. Они описываются акустическим импедансом (Z). Таким образом, переход в ткани организма происходит без значительных потерь. Акустический импеданс определяется следующим образом:

z equals pc

Акустические границы раздела, где изменяются акустические свойства плотности (ρ) и скорости звука (c), вызывают отклонение от прямолинейного распространения волн из-за явлений, известных из оптики, таких как преломление, отражение, рассеяние и дифракция. Эти эффекты необходимо учитывать при применении ударных волн к человеку. Это единственный способ обеспечить эффективное воздействие энергии в зоне лечения.

Подобно свету на зеркалах, ударные волны отражаются и преломляются на акустических границах. Этот эффект тем сильнее, чем больше отличаются акустические импедансы двух сред.

По этой причине первый прибор для дробления камней в почках предполагал погружение пациента в ванну, наполненную водой. Современные аппараты работают с так называемым »сухим« сопряжением. При этом методе водяная емкость прикладывается к телу через гибкую мембрану сопряжения. Воздушная прослойка между ними устраняется с помощью контактного геля или тонкой пленки воды.

Воздушная прослойка или пузырьки воздуха между источником ударной волны и телом значительно снижают ее эффективность.

Независимо от этого необходимо следить за тем, чтобы перед зоной воздействия не находились органы, содержащие газ (легкие), или крупные костные структуры. Они будут экранировать целевую область от ударных волн и тем самым препятствовать достижению необходимого терапевтического эффекта. Кроме того, близлежащее высвобождение энергии может повредить легочную ткань (противопоказание).

В конце концов, необходимо учитывать и то, что мягкие ткани (кожа, жир, мышцы, сухожилия и т. д.) также не являются акустически однородными и не имеют границ раздела. Однако различия в акустических свойствах значительно меньше, чем при переходе из воды в воздух и наоборот. Помимо поглощения и отражения здесь возникают эффекты преломления, которые могут привести к неконтролируемым отклонениям от прямолинейного распространения ударных волн в организме.

Типичное распределение давления ударной волны в виде педобарограммы

Параметры ударных волн / измерение ударных волн / давление ударных волн

Для определения характеристик ударных волн в основном используются измерения с помощью датчиков давления. 8 Ударные волны, используемые в медицине (рис. 2), показывают типичные значения пикового давления p+ примерно от 10 до 100 мегапаскалей (МПа). Это соответствует превышению атмосферного давления в 100–1000 раз. Очень короткое время повышения составляет от 10 до 100 наносекунд (нс) в зависимости от способа генерации. Длительность импульса также довольно короткая — около 1000 наносекунд (1 нс) (по сравнению с описанными медицинскими волнами давления, см. также рисунок 15). Другой характеристикой ударной волны является относительно низкая составляющая растяжения p, которая составляет около 10 % от пикового давления p+.

Если нанести значения пикового давления p+, измеренные в фокусной плоскости, на трехмерное изображение (в осевом направлении распространения ударной волны и латерально, то есть перпендикулярно ему), то получится типичное распределение давления, как показано на рис. 6. Видно, что поле ударной волны не имеет резкой границы, а скорее имеет форму горы — с вершиной в центре и более или менее крутыми склонами. Такое представление также называют »педобарограмма«. Ее форма и высота могут варьироваться в зависимости от используемого ударно-волнового устройства.

Фокус ударной волны

Распределение давления и фокусная зона

Фокус ударной волны определяется как часть педобарограммы, где давление равно или превышает 50 % от пикового давления (рис. 6 и 7). Эта область также называется фокусной зоной -6 дБ или описывается аббревиатурой FWHM (Full Width at Half Maximum, полная ширина на половине максимума).

Терапевтическая зона 5 МПа

Только вместе с указанием энергии можно получить представление об области, в которой ударная волна оказывает свой биологический эффект. Другими словами: область воздействия ударной волны в организме не описывается размером фокуса -6 дБ. Она может быть больше или меньше этого значения. По этой причине была определена другая величина, которая имеет более тесную связь с терапевтической эффективностью и основывается не на относительных величинах (соотношение с пиковым давлением в центре), а абсолютной величине, а именно давлении 5 МПа (50 бар). Соответственно, фокус 5 МПа определяется как пространственная зона, в которой давление ударной волны больше или равно 5 МПа. Это определение основано на предположении, что существует некий предел давления, ниже которого ударная волна не оказывает терапевтического эффекта или он незначительный.

Фокусная зона -6 дБ и терапевтическая зона 5 МПа в зависимости от настройки энергии

Научного подтверждения значения 5 МПа не существует. Однако преимуществом предыдущего определения является то, что оно отражает изменение терапевтической зоны при выборе уровня энергии. Различные зоны и их изменение при выборе уровней энергии схематично представлены на рис. 8. В отличие от этого, фокусная зона -6 дБ практически не меняется, несмотря на разные настройки уровня энергии.

Фокусная зона — это область с наибольшей интенсивностью энергии. Ее размер практически не зависит от настройки интенсивности. В отличие от этого, зона воздействия зависит от настройки интенсивности и обычно больше, чем фокусная зона.

Энергия (E)

Для практического применения энергия приложенной ударной волны является важным параметром 5 , хотя в настоящее время в основном ориентируются на плотность потока энергии. Можно предположить, что воздействие ударной волны на ткани происходит только при превышении определенных энергетических порогов. Энергия определяется по кривой давления p(t) путем интегрирования. Она пропорциональна площади (A) и обратно пропорциональна акустическому импедансу (Z):

Energie E

Различают, регистрируются ли при интегрировании давления по времени только положительные составляющие давления (E+) или также отрицательные составляющие (растяжение) (Eобщая). Обычно E (без индекса) используется для обозначения общей энергии. Звуковая энергия импульса ударной волны указывается в миллиджоулях (мДж). Обычно за одну процедуру подается несколько 100 или 1000 импульсов ударной волны. Общая переданная энергия рассчитывается путем умножения на количество импульсов. 1,8

Плотность потока энергии (ED)

Терапевтический эффект ударных волн зависит от того, распределяется ли энергия ударной волны по большой площади или концентрируется на узкой терапевтической зоне (фокусной зоне). Величина концентрации энергии получается путем определения энергии на площадь (E/A):

ed-energy flux density

Плотность потока энергии ED указывается в миллиджоулях на квадратный миллиметр (мДж/мм 2 ). Для плотности потока энергии также справедливо различие между интегрированием только по положительной или только по отрицательной части кривой давления. Без указания (ED) обычно учитывается общая плотность потока энергии, т. е. кривая давления, включая отрицательные составляющие растяжения.

Первые ударно-волновые устройства работали по электрогидравлическому принципу. В отличие от современных устройств, уровни энергии указывались не в мДж/мм 2 , а в значениях напряжения (кВ).

Профиль давления ударной волны

Импульс

До сих пор мало внимания уделялось тому факту, что ударная волна имеет импульс. Импульс ударной волны также определяется, как и энергия, путем интегрирования давления во времени. В отличие от энергии, при импульсе давление не возводится в квадрат перед интегрированием. При этом сохраняется его знак, а векторный характер импульса обеспечивает импульс в направлении распространения ударной волны за счет положительной составляющей давления, в то время как отрицательная составляющая (растяжение) создает меньший импульс в обратном направлении. Асимметричная форма импульса ударной волны гарантирует, что оба последовательных импульса не компенсируют друг друга и возникает взаимодействие с высоким сжатием и низким растяжением.

В непрерывном ультразвуке происходит все иначе: здесь чередующиеся фазы растяжения и сжатия в значительной степени компенсируются, вследствие чего результирующий импульс достигает лишь сравнительно небольшой величины.

p momentum

p-a momentum density

Импульс ударной волны имеет решающее значение как для высокоэнергетического дробления камней, так и для низкоэнергетического медико-биологического стимулирующего действия. 34

Поэтому импульс ударной волны имеет особое значение, так как через него происходит воздействие сил на материю. Когда ударная волна распространяется, например, в биологической ткани, она практически беспрепятственно проходит до тех пор, пока не столкнется с границами ткани, на которых плотность ткани ρ и/или ее скорость звука c, то есть акустический импеданс Z = ρ x c, резко изменяются. На таких границах в результате отражения импульс волны делится на составляющую, которая продолжает проходить через границу раздела, и составляющую, которая отражается от границы раздела. Составляющие переданной и отраженной волны определяются коэффициентом отражения.

r reflection coefficient

Это означает, что, например, от твердых границ раздела, таких как камни, отражается большая часть, а от мягких границ раздела, таких как сухожилия и мышечные волокна, — меньшая часть волны. С этим напрямую связаны силы, которые действуют на границы раздела и могут быть использованы как для разрушения хрупкого материала, такого как камни в теле, так и для стимуляции эластичных материалов, таких как мягкие ткани организма.

Физическая основа развития силы во время отражения была раскрыта Исааком Ньютоном уже в 1687 году, согласно которой любое изменение импульса может происходить только в связи с действием силы.

В целом, согласно Ньютону:

В частности: тело массой m, движущееся со скоростью v, имеет импульс P = mv. Когда тело ускоряется или тормозится, его скорость меняется. При этом действует сила F = m(dv/dt). В зависимости от направления силы, ее можно назвать силой ускорения или торможения.

Физические и биологические эффекты ударных волн

Прямое воздействие на границы раздела

Механизм избирательного воздействия ударной волны на разные ткани и границы раздела материалов долгое время не рассматривался. Однако он является основой для разного медицинского применения и объясняет, почему многие типы тканей остаются без значительного повреждения при прохождении ударной волны и почему может наблюдаться избирательное терапевтическое действие силы на границах раздела, вплоть до дробления камней в организме. Поэтому можно сказать, что за эффективность ударных волн в медицине отвечает физический механизм передачи импульса и основанное на нем действие силы.

Ударные волны могут оказывать силовое воздействие не только избирательно на участки ткани, расположенные близко к поверхности. Благодаря высокочастотным составляющим в мегагерцевом диапазоне и связанной с этим малой длине импульса в несколько миллиметров, ударные волны могут быть сфокусированы на более глубоких участках организма. Там они могут целенаправленно генерировать более длинные импульсы стимуляции в диапазоне физиологически эффективных миллисекунд через механизм передачи импульсов.

Силы, возникающие в соответствии с этими физическими законами при передаче импульсов в результате прохождения и избирательного отражения на границах раздела тканей, способны генерировать небольшие движения границ раздела, которые способствуют растяжению и деформации слоев клеток и на короткое время делают их проницаемыми для ионов и определенных молекул. Этот процесс называется механотрансдукцией. Сегодня механотрансдукция считается решающей для многих механизмов действия в области медицинского применения ударных волн, поскольку она может объяснить высвобождение ряда биохимических веществ, таких как оксиды азота (NO), факторы роста, вещество Р и другие. 18,21 Есть еще одно важное свойство ударных волн. Подобно ультразвуку первичные процессы давления происходят в диапазоне микросекунд, то есть слишком быстро для большинства физиологических процессов. Физиология механотрансдукции, наоборот, требует силовых воздействий с длительностью в миллисекунды, то есть значительно более длительных периодов, в течение которых возможен обмен биохимическими веществами через кратковременно открытые поры в растянутых мембранах. Передача импульса ударной волны при отражении от поверхностей раздела обеспечивает ускорение вовлеченных масс и выполнение ими небольших движений в течение миллисекунд.

Воздействие фокусированной ударной волны на бетонный блок

Ударные волны и ультразвук имеют разные характеристики. При использовании ультразвука происходит высокочастотная переменная нагрузка на ткани в диапазоне частот в несколько мегагерц, что приводит к нагреванию, разрыву тканей и образованию кавитации при высоких амплитудах. 9,10 Воздействие ударных волн основано, в частности, на направленном вперед действии силы (в направлении распространения ударных волн) с передачей импульса на границу раздела (см. выше).

Его можно увеличить до степени, позволяющей разрушить камни в почках. 2,3 Такие силовые воздействия в основном возникают на границах раздела со скачком акустического сопротивления, но практически никогда в однородных средах (ткани, воде). 11 По этой причине ударная волна является идеальным средством для создания воздействий в глубине ткани без разрушения предлежащей ткани.

Но даже менее выраженные границы раздела в мягких тканевых структурах испытывают небольшое силовое воздействие ударных волн. В зависимости от интенсивности (рис. 11) возможно механическое разрушение клеток, мембран и, например, костных трабекул 11 или стимуляция клеток путем обратимой деформации клеточной мембраны 12 . Таким образом, с одной стороны, возможно разрушение хрупких структур (камней в почках), с другой стороны, раздражение или стимуляция тканевых структур, что способствует процессам заживления. Процессы такого рода можно наблюдать, например, при использовании в ортопедии. 36 Фокусировка позволяет ограничить воздействие на целевую область. Побочные эффекты за пределами этой области сокращаются или предотвращаются.

Фокусирование позволяет целенаправленно воздействовать на конкретную целевую область.

Типичные области применения ударных волн в медицине и соответствующие степени интенсивности

В результате ударно-волновой терапии обычно наблюдается усиление кровообращения и активизация обмена веществ, что может способствовать наступлению заживления.

Ударная волна также приводит к биологическим реакциям за счет сопутствующих сил сдвига и давления (см. выше). Этот механизм действия, называемый механотрансдукцией, отвечает за следующие научно доказанные эффекты.

  • Повышение проницаемости клеток 15
  • Стимуляция микроциркуляции (крови, лимфы) 16,17
  • Высвобождение вещества P 18
  • Сокращение немиелинизированных нервных волокон 19
  • Высвобождение оксида азота (NO), способствующего вазодилатации, активизации обмена веществ и ангиогенезу, а также обладающего противовоспалительным действием 20,21
  • Антибактериальное действие 22
  • Выброс гормонов роста (кровеносные сосуды, эпителий, кости, коллаген и т. д.) 20,23,24,25
  • Стимуляция стволовых клеток 26,27
  • Стимуляция нервных клеток (потенциалов действия) 18,33,35

Косвенное действие — кавитация

Помимо прямого силового воздействия ударных волн на границах раздела, в некоторых средах, таких как вода, и частично также в тканях возникает так называемая кавитация. 9

Формирование микроструи в результате схлопывания кавитационного пузырька

Кавитационные пузырьки образуются сразу после переменной нагрузки среды давлением/растяжением вследствие воздействия ударной волны. Большая часть пузырьков растет примерно до 100 микросекунд после прохождения волны, а затем сильно схлопывается, испуская вторичные сферические ударные волны. Вблизи границ раздела кавитационные пузырьки уже не могут схлопываться без помех. Среда, поступающая обратно в пузырек, например вода или биологическая жидкость, больше не может поступать беспрепятственно. Последствие: пузырь схлопывается асимметрично, образуя микрострую. 13 Эта струя жидкости направляется к границе раздела со скоростью несколько сотен метров в секунду (рис. 12).

Микроструи обладают большой энергией и проникающей способностью: они могут разрушать твердые границы раздела камней. Вследствие выделения газов, растворенных в крови или тканях, при прохождении ударной волны также образуются пузырьки, так называемая мягкая кавитация. Эти пузырьки могут разорвать мелкие кровеносные сосуды или клетки. Это приводит к микрокровоизлияниям или перфорации мембран. Кавитация не ограничивается исключительно фокусной зоной, но здесь она особенно выражена. 1,8,14

Целевое применение фокусированных ударных волн

Для целевого применения ударных волн необходимо расположить фокусную зону в обрабатываемой области. В случае камней (литотрипсия), костей или определенных тканевых структур для позиционирования можно использовать рентген или ультразвук. При противоболевой терапии ориентируются на точку наибольшего ощущения боли в ходе общения с пациентом. Такая »биологическая обратная связь« позволяет локализовать многие поверхностные и более глубокие точки лечения.

Радиальные волны давленияМаятник Ньютона

Что такое радиальные волны давления?

Помимо фокусированных ударных волн в современной медицине также используются радиальные волны давления. Физик Исаак Ньютон сформулировал свой знаменитый закон »Равенство действия и противодействия« еще в 1687 году. Принцип действия баллистического устройства генерирования волн давления основан именно на формуле импульса, вытекающей из этого закона.

Лечение волнами давления основано на законе »Равенство действия и противодействия«, сформулированного физиком Исааком Ньютоном в 1687 году.

Механическая энергия в виде звуковой волны давления передается в ткани организма и, соответственно, в болевую зону с помощью аппликаторов специальной формы. Генерируемые баллистическим методом радиальные волны давления применяются в медицине с конца 1990-х годов. Они являются недорогой альтернативой, особенно при лечении заболеваний костно-мышечной системы.

Многие показания и результаты терапии радиальными волнами давления и фокусированными ударными волнами во многом схожи. 28 На практике, соответственно, говорят о »радиальной ударно-волновой терапии« (РУВТ, RSWT).

Радиальные волны давления часто называют радиальными ударными волнами, хотя с физической точки зрения это некорректно.

Однако с физической точки зрения термин »ударная волна« для обозначения радиальных волн давления некорректен: длина импульса радиальных волн давления намного больше, чем у ударных волн. Волны давления имеют длину импульса в диапазоне от 0,15 до 1,5 м. Для сравнения: длина импульса ударных волнах намного короче — ок. 1,5 мм. Это объясняет, почему, в отличие от волн давления, их можно фокусировать. 29

Радиальные волны давления на практике зачастую называют радиальными ударными волнами, но они имеют значительно большую длительность импульса, чем фокусированные ударные волны.

Генерирование радиальных волн давления

Возникновение волн давления, генерируемых баллистическим, пневматическим методом, и их воздействие на поверхность

Волны давления возникают при столкновении твердых тел (рис. 14). При этом движущаяся частица сначала разгоняется, например, сжатым воздухом (как в пневматической винтовке) до скорости несколько метров в секунду (примерно от 5 до 25 м/с, что намного ниже скорости звука в воде 1500 м/с), а затем резко тормозится об ударное тело (аппликатор). Гибко подвешенный аппликатор приводится в непосредственный контакт с поверхностью тела над обрабатываемым участком — желательно использовать контактный гель для УЗИ. Когда движущаяся частица ударяется об аппликатор, часть ее кинетической энергии передается аппликатору, который линейно перемещается на короткое расстояние (обычно < 1 мм) с гораздо меньшей скоростью (обычно < 1 м/с) до тех пор, пока контактирующая ткань или рукоятка не замедлят движение аппликатора. В точке контакта движение аппликатора передается в ткань. Там оно генерирует радиальную волну давления, которая распространяется в разные стороны.

Типичные параметры фокусированных ударных волн и радиальных волн давления

Временная продолжительность импульса давления (рис. 15) определяется линейным движением аппликатора. В тканях она обычно составляет от 0,2 до 5 миллисекунд (мс). Поэтому импульсы давления, передаваемые в ткани, имеют длительность в 1000 раз больше, чем у ударных волн. Типичное пиковое давление при использовании этого метода значительно ниже по сравнению с ударными волнами. Оно составляет примерно от 0,1 до 1 МПа, что в 100 раз ниже. 1,8

Процесс столкновения также вызывает в аппликаторе звуковую волну более высокой частоты (звук, распространяющийся в твердом теле). Из-за сильного различия между двумя акустическими импедансами (металл, вода) только небольшая часть (ок. 10 %) этой энергии колебания излучается в ткань или воду. Энергия, содержащаяся в высокочастотном звуковом колебании, значительно меньше, чем энергия низкочастотного импульса давления, описанного выше. 30

Различная характеристика интенсивности фокусированных ударных волн и радиальных волн давления в теле

Распространение волн давления

Волны давления в описанном смысле распространяются радиально от точки приложения аппликатора в прилегающие ткани. 29 Плотность энергии входящей волны давления быстро уменьшается (пропорционально 1/r 2 ) по мере удаления от точки контакта. Наиболее сильный эффект отмечается в точке приложения аппликатора, то есть на поверхности кожи (рис. 16).

Хотя терапевтический эффект радиальных волн давления распространяется на 3–4 см вглубь, наибольшая интенсивность наблюдается на поверхности кожи.

Отклонение аппликатора D20 в воздухе при давлении 4 бар

Параметры волн давления/измерение волн давления

Из-за гораздо большей длительности импульса и низкой амплитуды давления измерение давления в воде, характерное для ударных волн, не подходит в качестве эталона. Гораздо эффективнее регистрировать отклонение аппликатора (рис. 17) и силу, передаваемую вязкоупругому тканевому фантому. Однако, поскольку эти параметры сильно зависят от типа используемого ударного тела (аппликатора), в качестве меры интенсивности все еще распространено указание движущего давления, ускоряющего движущую частицу.

Физические и биологические эффекты волн давления

Радиальные волны давления вызывают колебания в тканях, что приводит к усилению микроциркуляции и активизации обмена веществ. 31 Несмотря на многочисленные терапевтические успехи, точные биологические эффекты практически не были научно изучены.

Интересно, что, несмотря на физические различия и обусловленные ими разные области применения (на поверхности или в глубине), эффекты стимуляции и терапевтические механизмы отчасти схожи. Например, радиальные волны давления хорошо подходят для лечения поверхностной боли. При миофасциальных болевых синдромах радиальная волна давления незаменима для разглаживания и растягивания мышц и/или фасций до или после фокусированной ударной волны.

Существенные различия между ударными волнами и волнами давления

Сходство эффектов фокусированных ударных волн и радиальных волн давления объясняется механизмом механотрансдукции, лежащим в основе обоих методов. Если при использовании фокусированной ударной волны можно использовать коротковолновую ударную волну для передачи стимулирующих импульсов конкретно на поверхность или в глубину, то с помощью радиальных волн давления из-за их плохой фокусируемости это возможно только на поверхности с радиально уменьшающимся эффектом по мере проникновения вглубь.

Ударные волны в сравнении с волнами давления

Ударные волны и волны давления отличаются по своим физическим характеристикам и технике генерирования, а также по величине обычно используемых параметров и по терапевтической глубине проникновения в ткани. Основные различия кратко представлены на рис. 18.

Для терапии локальных болевых точек, хронического тендиноза в местах крепления сухожилий и более глубоко расположенных триггерных точек лучше использовать фокусированную ударную волну. 32

От чего зависит степень ударной волны

Для принятия решений по защите от воздействия воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва на здания, сооружения, технику или на людей, а также для выработки мер взрывобезопасности необходимы данные, характеризующие взрывы, которые могут происходить во время военных действий, в производственной сфере и в быту. Наиболее достоверные сведения о взрыве можно получить путем проведения эксперимента. Однако, такой подход не всегда применим. Поэтому наиболее распространены расчетные методы, позволяющие определять значения параметров, характеризующих взрывы. В ходе расчетов используются следующие показатели:

Для проведения расчетов разработано и представлено в технической литературе значительное количество функциональных зависимостей, которые связывают между собой эти показатели. Конкретный вид расчетных соотношений, выражающих эти функциональные зависимости, определяется условиями взрыва, к которым относятся: тип ВВ (конденсированное ВВ, газовоздушные смеси, пылевоздушные смеси и др.), место взрыва (воздушный, наземный или заглубленный взрыв), наличие преград, отражающих ударную волну и другие условия.

Разные авторы предлагают разные виды функциональных зависимостей для определения одних и тех же показателей, позволяющие получить либо большую точность, либо простоту, либо какие-нибудь другие преимущества при проведении расчетов. Поэтому при выборе того или иного соотношения для проведения расчетов следует особое внимание обращать на систему ограничений, определяющих возможность его использования.

Вся совокупность задач по проведению расчетов может быть разделена на две группы: задачи прогнозирования последствий взрыва по заданному количеству ВВ и задачи определения количества ВВ по заданным последствиям взрыва.

Задачи прогнозирования соответствуют ситуации, когда взрыва еще не было, т.е. требуется рассчитать показатели, характеризующие будущий взрыв. В таких задачах в качестве исходных данных обычно используются сведения о количестве ВВ и об условиях взрыва. При этом в результате расчетов должны быть получены значения параметров ударной волны (или других поражающих факторов) на заданном расстоянии от места взрыва (прямая задача), или определено расстояние от места взрыва, на котором параметры ударной волны будут иметь заданное значение (обратная задача).

Задачи определения исходных характеристик ВВ по результатам взрыва обычно приходится решать при расследовании и анализе причин аварийных взрывов. В этих задачах известны условия взрыва, место взрыва и степень разрушений по мере удаления от его эпицентра. В результате решения должно быть определено количество взорвавшегося вещества. Для расчетов в этих задачах используются те же функциональные зависимости между степенью повреждения, количеством ВВ и расстоянием от места взрыва, что и при решении задач прогнозирования.

Настоящий курс лекций не предусматривает подробного рассмотрения всего многообразия вариантов проведения расчетов для различных условий взрыва и поражающих факторов. Далее будут рассматриваться только приближенные методы проведения расчетов, связанные с наиболее распространенными типами взрывов конденсированных ВВ и ГВС в открытом, не замкнутом пространстве. Из числа поражающих факторов взрыва будет рассматриваться только воздушная ударная волна.

Расчетные соотношения, используемые при решении задач.

Тротиловый эквивалент массы ВВ.

Количество взрывчатого вещества или его массу МBB при проведении расчетов выражают через тротиловый эквивалент МТ. Тротиловый эквивалент представляет собой массу тротила, при взрыве которой выделяется столько же энергии, сколько выделится при взрыве заданного количества конкретного ВВ. Значение тротилового эквивалента определяется по соотношению:

(1)

где:
MBB — масса взрывчатого вещества;

k — коэффициент приведения взрывчатого вещества к тротилу1 (см. Таблицу 1).

Таблица 1. Значения коэффициента k приведения взрывчатого вещества к тротилу

ВВ Тротил Тритонал Гексоген ТЭН Аммонал Порох ТНРС Тетрил
k 1.0 1.53 1.30 1.39 0.99 0.66 0.39 1.15

Выражение (1) составлено для взрыва, при котором ударная волна распространяется во все стороны от точки взрыва беспрепятственно, т.е. в виде сферы. Очень часто на практике взрыв происходит на некоторой поверхности, например, на земле. При этом ударная волна распространяется в воздухе в виде полусферы.

Для взрывов на абсолютно твердой поверхности вся выделившаяся при взрыве энергия распространяется в пределах полусферы и, следовательно, значение массы взрывающегося вещества как бы удваивается (в определенных случаях можно говорить о сложении прямой и отраженной волны).

Для взрыва на не абсолютно твердой поверхности, например, на грунте, часть энергии расходуется на образование воронки. Учет этого расхода выполняется с помощью коэффициента ƞ, значения которого приведены в Таблице 2. Чем меньше подстилающая поверхность позволяет затрачивать энергию на образование воронки, тем ближе значение коэффициента ƞ к 1. Другой предельный случай соответствует ситуации, когда подстилающая поверхность беспрепятственно пропускает энергию взрыва, например, при взрыве в воздухе. В этом случае значение коэффициента равно 0.5.

С учетом изложенного значение MT в общем случае определяется по формуле:

(2)

Выражение (2) для взрыва в воздухе, то есть при ƞ = 0.5, принимает вид (1).

ВЗРЫВНА́Я ВОЛНА́

Рис. 1. Эволюция взрывной волны с образованием ударной волны. Кривые 1, 2, 3 – профили давления взрывной волны в последовательные моменты времени t1

ВЗРЫВНА́Я ВОЛНА́, вол­на дав­ле­ния (и др. взаи­мо­свя­зан­ных тер­мо­ди­на­ми­че­ских и га­зо­ди­на­ми­че­ских ве­ли­чин), рас­про­стра­няю­щая­ся от мес­та взры­ва в ок­ру­жаю­щее про­стран­ст­во. Те­п­ло­вы­де­ле­ние и воз­рас­та­ние дав­ле­ния в оча­ге взры­ва обыч­но про­ис­хо­дят в те­че­ние ко­неч­но­го вре­ме­ни. При этом В. в. име­ет сна­ча­ла не­пре­рыв­ный про­филь дав­ле­ния и её пе­ред­ний край (фронт вол­ны) дви­жет­ся со ско­ро­стью зву­ка в не­воз­му­щён­ном ве­ще­ст­ве. Уча­ст­ки вол­ны с бóль­шим дав­ле­ни­ем пе­ре­ме­ща­ют­ся бы­ст­рее и при­бли­жа­ют­ся к фрон­ту, ко­то­рый ста­но­вит­ся бо­лее кру­тым и пре­вра­ща­ет­ся в га­зо­дина­ми­че­ский раз­рыв – удар­ную вол­ну (рис. 1), дви­жу­щую­ся со сверх­зву­ко­вой ско­ро­стью. Об­ра­зо­ва­ние удар­ной вол­ны про­ис­хо­дит тем рань­ше, чем мень­ше вре­мя вы­де­ле­ния энер­гии взры­ва по срав­не­нию с ха­рак­тер­ным вре­ме­нем рас­ши­ре­ния про­дук­тов взры­ва (она мо­жет об­ра­зо­вать­ся и вну­три ис­точ­ни­ка взры­ва). За­ви­си­мость скач­ка дав­ле­ния $ΔP$ на фрон­те удар­ной вол­ны от ко­ор­ди­на­ты фрон­та $r$ удов­ле­тво­ря­ет за­ко­ну по­до­бия, со­глас­но ко­то­ро­му $ΔP=f(r/Q^)$ , где $f(r/Q^)$ – уни­вер­саль­ная функ­ция для всех гео­мет­ри­че­ски по­доб­ных за­ря­дов дан­но­го взрыв­ча­то­го ве­ще­ст­ва (ВВ), $Q$ – энер­гия взры­ва, про­пор­цио­наль­ная объ­ё­му за­ря­да. При­бли­жён­ным ко­ли­че­ст­вен­ным вы­ра­же­ни­ем этой функ­ции для типич­ных за­ря­дов кон­ден­си­ро­ван­ных ВВ в воз­ду­хе яв­ля­ет­ся фор­му­ла Са­дов­ско­го: $$\bigtriangleup P=0,75r_0^ + 2,5r_0^+ 6,5r_0^\,кг/см^2,\\ r_0=r(\lambda Q)^,\:\: 1 < r_0 < 10.$$ Здесь энер­гия $Q$ вы­ра­же­на в 10 6 кал, $r$ – рас­стоя­ние от цен­тра взры­ва до фрон­та В. в., $λ=1$ при взры­ве в без­гра­нич­ной воз­душ­ной сре­де и $λ=2$ при на­зем­ном взры­ве.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *