Принцип работы

Механизм действия аппарата «Кавитар» заключается в подаче раствора лекарственных препаратов c низкой концентрацией активных веществ в виде распыления струи, активированной низкочастотным ультразвуком неинвазивным способом непосредственно на пораженную ткань (слизистых оболочек, ожоговой поверхности, раневой поверхности) без непосредственного контакта с ультразвуковым излучателем.

Основные действующие факторы аппарата КАВИТАР

• переменное звуковое давление
• акустические течения
• кавитация озвучиваемой жидкости
• ускорение протекания химических процессов
• активация лекарственных водных растворов

• изменение структуры водных растворов

Механизм воздействия на ткани

• макроочистка тканей, в том числе, разрушение защитных плёнок колоний бактерий
• микромассажное воздействие
• элиминация бактерий, вирусов и грибов с пораженной ткани
• активированные лекарственные растворы легче проникают сквозь клеточные мембраны
• глубокое проникновение активированных лекарственных растворов в ткани
• создание длительного депо лекарственных средств в тканях
• улучшение микроциркуляции и трофики тканей
• повышение локального иммунитета тканей 

При прохождении потока жидкости (лекарственного раствора низкой концентрации вплоть до дистиллированной воды) через оконечник ультразвукового концентратора аппарата «КАВИТАР» происходит изменение физико-механических параметров потока жидкости, включая изменение структуры жидкости, полную гидратацию лекарственных веществ, повышения восстановительно-окислительных свойств, путем воздействия на него ультразвуковых колебаний и кавитации в тонком капилляре с очень высокой удельной энергией.

При воздействии на воду различных внешних возмущений наблюдается диссоциация воды по уравнению

Далее ион OH^– диссоциируетс образованием гидратированного электрона  и нейтрального радикала  

Обычно эти две реакции называют радиолизом воды.

Затем в воде идут различные химические реакции и образуются следующие продукты

Поскольку имеет место эквивалентность  окислительных  и восстановительных частиц,  справедливо  соотношение:

a+b+2d=c+2e.

Самым необычным продуктом радиолиза является гидратированный электрон. Он является сильным восстановителем и быстро реагирует с многими веществами, в том числе с большинством продуктов радиолиза воды. Экспериментально  были  установлены  следующие его физические свойства:

- окислительно-восстановительный потенциал составляет  минус 2,77 В;

- средний радиус распределения  заряда  0,28 нм;

- время образования меньше  0,02 нс;

- эквивалентная проводимость  185 См∙см².

Наличие гидратированного электрона изменяет структуру воды. Некоторые ее кластеры из нитевидных с числом молекул 400-600 превращаются в шаровидные с числом молекул 4, 6, 8 и т.д. Это значительно увеличивает скорость химических реакций с водой, равно как и облегчает проникновение активированной воды и растворов лекарственных веществ сквозь мембраны живых клеток и более быстрое распространение через межклеточное пространство.

Что касается кавитации, которую можно опознать по характерному звуку с чётко определяемым источником при истечении жидкости через оконечник ультразвукового концентратора при работе аппарата «КАВИТАР», то при завершающей стадии существования пузырьков газа (пара), образующегося в жидкости в поле интенсивного воздействия ультразвуковых колебаний, при коллапсе пузырька в точечно-ударном виде проходит ряд элементарных реакций в локальном объеме, окруженном тонкой пленкой жидкости и происходит локальное значительное повышение температуры и давления.

Наличие перекиси водорода Н₂О₂ также изменяет свойства воды и может служить критерием количества гидратированных электронов в воде. Ниже в таблице приведены значения концентраций перекиси водорода при различных воздействиях на воду.

Таблица 1 – Концентрация перекиси водорода в воде при различных внешних воздействиях

Из таблицы видно, что воздействие ультразвуковых колебаний, приводящих, в том числе, и к кавитации жидкости в капилляре ультразвукового концентратора аппарата «КАВИТАР» значительно изменяет свойства воды.

Многочисленные исследования показали сохранение антисептического эффекта озвученной жидкости (как дистиллированной воды, так и водорастворимых лекарственных веществ в малой концентрации) до двух часов после пропускания через аппарат «КАВИТАР» и уничтожении свыше 99% всех известных штаммов бактерий, микробов и вирусов. При непосредственном орошении живых тканей активность лекарственных растворов малой концентрации ещё выше – время доставки капли жидкости от момента отрыва от капилляра оконечника ультразвукового концентратора аппарата «КАВИТАР» до орошаемой поверхности не превышает одной секунды. 

Остановимся на технической реализации озвучивания лекарственных растворов низкочастотным ультразвуком. Основной задачей ультразвукового преобразователя является  однородное ультразвуковое воздействие на водный раствор  антисептика малой концентрации с целью придания ему хорошо выраженных антисептических и других свойств. Для решения данной задачи в наших конструкциях водный раствор проходит через тонкий цилиндрический канал, оканчивающийся капилляром диаметром всего 0,3 мм, ось которого совпадает с осью концентратора ультразвуковых колебаний, подвергаясь тем самым   воздействию цилиндрических волн со стороны ограничивающей канал цилиндрической поверхности. Такие волны вызывают в жидкости появление в радиальном направлении знакопеременных давлений и волн виброперемещений и скорости, которые после преодоления т.н. порога кавитации, приводят к появлению кавитации. 

Кавитационное воздействие на жидкость заключается в появлении в ней пузырьков, заполненных парами и растворенным газом. Кавитация уже довольно хорошо изучена (по крайней мере, ее физико-механические проявления) и показано, что появление пузырьков является следствием малой прочности жидкости, которая зависит от множества факторов и, в частности, количества растворенного газа, твердых включений, температуры, частоты воздействия и др. Кавитация включает три основных стадии -  начальная, стабильная и нестабильная, причем наиболее действенной является  нестабильная стадия. Для ее достижения необходимо повышение интенсивности ультразвука, что приводит к тому, что пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются. При захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления  около 30 МПа и нагревается до температур порядка 8000 - 12000 К. Известно, что уже при 2000 К около 0,01 % молекул H₂O внутри пузырька диссоциируют на водородные и гидроксильные свободные радикалы. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул H₂O. При переходе молекул H₂O из электронно-возбужденного состояния в основное высвечивается квант света - происходит сонолюминесценция.

 Для достижения ультразвуковых колебаний необходимой  интенсивности нами используется конструкция ультразвукового концентратора с экспоненциальным профилем (показана на рис. 1). В конструкцию входит круглая концевая масса 1, пьезоактивный модуль 2 из четного числа пьезокерамических дисков, цилиндрический промежуточный элемент 3 и, обычно, однополуволновый или двухполуволновый концентратор колебаний 4.               

Однополуволновый концентратор представлен на рис. 2. Его особенностью является уменьшение диаметра поперечных сечений к механическому выходу, что вызывает существенное  увеличение виброскорости и амплитуд колебаний. Этот эффект аналогичен увеличению скорости течения жидкости по мере сужения трубопровода и теоретически объясняется на основании закона сохранения массы. Профиль поперечных сечений может быть различным, например, катеноидальный, ампульный и др., но неизменным является уменьшение площади поперечных сечений к механическому выходу, где необходимо обеспечить максимальную виброскорость рабочей поверхности.

Рис.1

Такие конструкции наиболее эффективно использовать в резонансном режиме, когда частота вынужденных колебаний совпадает с одной из собственных частот конструкции, при этом собственных частот у любого физического объекта бесконечное счетное множество и требуется выбрать среди них форму колебаний, наиболее полно удовлетворяющую  принципу работы конкретного вибропреобразователя.  В данном случае необходимо получить мощные продольные колебания (т.е. колебания вдоль оси симметрии устройства) и надо, поэтому, использовать продольные формы собственных колебаний.

На рис.3 представлена форма продольных колебаний. Форма колебаний  характеризуется сочетанием узлов и пучностей колебаний, а ее порядковый номер равен числу узлов и, следовательно, на рис.2 представлена первая форма продольных колебаний. На рис.4 представлено распределение вдоль осевой координаты амплитудных значений перемещений и напряжений, связь между которыми определяется на основании закона Гука из решения волнового уравнения

Рис.4

На рис.4 представлены формы колебаний для амплитуд виброперемещений (темный цвет) и амплитуд механических напряжений (красный цвет), из которых видно, что максимумы перемещений и напряжений смещены друг от друга на величину около четверти длины волны, при этом максимуму амплитуды колебаний соответствует нулевое значение амплитуды напряжений и наоборот. Видно, что в концентраторе амплитуда перемещений на механическом выходе существенно больше, чем на противоположном конце (рис. 4,а), а для обычного цилиндрического вибратора амплитуды на концах одинаковы(рис. 4,б).

Ну а теперь самое главное -  рассмотрим поперечные колебания концентратора, которые непосредственно воздействуют на водный раствор. Поперечные или радиальные колебания концентратора происходят перпендикулярно осевой линии и напрямую зависят от величины и распределения продольных колебаний, которые являются основными и возбуждаются в продольном направлении пьзоактивным модулем 2 (рис. 1). Пьзоактивных элементов, возбуждающих поперечные колебания, в этой конструкции нет, поэтому единственной причиной возбуждения таких колебаний являются пуассоновские свойства материалов, т.е. такие упругие свойства, когда при изменении размеров образца в одном из направлений он изменяет размеры в другом направлении. Это наглядно видно, когда растянув жгут резины, мы видим уменьшение его толщины.

Таким образом, распределение амплитуд поперечных колебаний в продольном направлении соответствует распределению амплитуд продольных колебаний в этом направлении с весовым коэффициентом примерно 0,3 (для металлов). В радиальном направлении колебания также описываются волновым уравнением, записанным в цилиндрической системе координат. Решение этого уравнения с краевыми условиями для перемещений, полученных с помощью коэффициента Пуассона, дают удивительную картину перемещений и напряжений (рис. 5).

    Рис.5

Распределение амплитуд колебаний имеет максимум на краях и нуль по оси симметрии концентратора, при этом решение волнового уравнения описывается цилиндрическими функциями или функциями Бесселя первого и второго рода, которые асимптотически стремятся к гармоническим функциям при больших значениях радиуса. При малых значениях радиуса амплитуда перемещений равна нулю (темная картина распределения), а амплитуда напряжений  в резонансном режиме стремится к бесконечности (без учета потерь), т.е. происходит большая концентрация напряжений (красная картина распределения на рис. 5).

Аналогичная картина наблюдается и в жидкости. Вставим в цилиндрический канал, с натягом, цилиндрик с отверстием, имеющим диаметр 0,1-0,3 мм, так чтобы его торцевая поверхность совпадала с торцевой поверхностью концентратора на рис. 1. Цилиндрик окажется в зоне наибольшей интенсивности колебаний и его внутренняя боковая поверхность будет возбуждать в жидкости систему цилиндрических волн (рис. 6, 7).  Решение волнового уравнения в жидкости имеет вид аналогичный вышеизложенному и максимальное давление будет наблюдаться при значениях радиуса R близким к нулю (рис. 8).

Это позволяет, имея минимальный диаметр дополнительно введенного цилиндра, получить течение жидкости в зоне максимально высоких давлений, что и обеспечивает максимально возможную кавитационную активность при минимуме потребляемой пьезоактивным модулем мощности. При очень большом уровне звуковых давлений в канале цилиндрика кавитация может резко снизить свою активность и парогазовые пузырьки станут пульсирующими. Это требует очень точного дозирования мощности источника питания, что достигается обычно экспериментальным путем.

Рис.8