Az aktív ultrahang ALKALMAZÁSA napjainkban

 

 

 

 

Dr. Lőrincz Attila

 

 

www.lorincza.hu

lorincza@lorincza.hu

ultrahang1@freemail.hu

 

 

 

2006

 

 

Irodalomjegyzék

 

 

1. BEVEZETÉS
2. ULTRAHANGFIZIKAI ALAPOK
2.1. HULLÁMTAN
2.1.1. A HANGSUGÁR ELVÁLTOZÁSAI A HANGTÉRBEN
2.1.2. AZ ÁLLÓ- ÉS A HALADÓ HULLÁMOK KIALAKULÁSÁNAK FIZIKAI ALAPJAI
2.1.3. NEAR FIELD – FAR FIELD
2.1.4. LEVITÁCIÓ
2.2. NEMLINEÁRIS AKUSZTIKAI JELENSÉGEK, AKUSZTIKAI ÁRAMLÁS
2.2.1. ATOMIZÁCIÓ
2.3. AKUSZTIKAI KAVITÁCIÓ
2.3.1. KAVITÁCIÓS MAGOK
2.3.2. KAVITÁCIÓ TÍPUSOK
2.3.2.1. TRANZIENS (TEHETETLENSÉGI) KAVITÁCIÓ
2.3.2.2. STABIL KAVITÁCIÓ
2.3.1. A KAVITÁCIÓRA, ILLETVE AZ AKUSZTIKAI JELENSÉGEK KIALAKULÁSÁRA VONATKOZÓ VIZSGÁLATOK
2.4. SZONOLUMINESZCENCIA
2.5. AZ ULTRAHANG HŐHATÁSA, HIPERTERMIA
2.5.1. AZ ABSZORPCIÓS KOEFFICIENS
2.6. AZ ULTRAHANG SEJTBIOLÓGIAI HATÁSAI
2.6.1. A BEUGÁRZÁS HATÁSÁRA KELETKEZŐ SZONOKEMIKÁLIÁK SEJTBIOLÓGIAI HATÁSAI
2.6.3. SPECIFIKUS SEJTBIOLÓGIAI HATÁSOK
2.6.4. AZ ULTRAHANG BIOLÓGIAI MEMBRÁNOKRA GYAKOROLT HATÁSAI
2.6.5. ALKALMAZOTT ULTRAHANG FIZIKAI ALAPJAI
2.6.6. AZ ULTRAHANG SEJTBIOLÓGIAI HATÁSAIT BEFOLYÁSOLÓ FIZIKAI TÉNYEZŐK
2.6.7. AZ ULTRAHANGSUGÁRZÁS HATÁSÁNAK BEMUTATÁSA
3. AZ ULTRAHANG ELŐÁLLÍTÁSA
3.1. AZ ULTRAHANGTÉR MODELLEZÉSE
3.2. AZ AKTÍV ULTRAHANGBERENDEZÉSEK ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE
3.3. NAPJAINK INNOVATÍV REZGÉSKELTŐI
3.4. SEJTRONCSOLÓK
3.4.1. NAGY TELJESÍTMÉNYŰ ULTRAHANGRENDSZEREK HAZAI GYÁRTÁSA
3.5. ULTRAHANGRENDSZEREK BESZERZÉSÉVEL KAPCSOLATOS KÖVETKEZTETÉSEK
4. AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
4.1. PASSZÍV ULTRAHANG
4.2. AKTÍV ULTRAHANG
4.2.1. AZ ULTRAHANG BIOTECHNOLÓGIAI ÉS ÉLELMISZERIPARI SZEREPE
4.2.1.1. EMULZIÓK ELŐÁLLÍTÁSA, HABTÖRÉS
4.2.1.2. SZEPARÁCIÓ, ÜLEPÍTÉS
4.2.1.2.1. EMULZIÓK AKUSZTIKAI SZEPARÁCIÓJA
4.2.1.2.1.1. A DISZPERGÁLT RÉSZECSKÉN ÉBREDŐ AKUSZTIKAI ERŐ MEGHATÁROZÁSA
4.2.1.2.2. SZUSZPENZIÓK AKUSZTIKAI ÜLEPÍTÉSE
4.2.1.3. A SEJTEK AKUSZTIKAI STIMULÁCIÓJA (SZAPORODÁS-, ÉS TERMÉKKÉPZÉS SERKENTÉS)
4.2.1.3.1. STIMULÁCIÓS ÉS GÁTLÓ VIZSGÁLATOK
4.2.1.3.2. FOLYAMATOS ÉS SZAKASZOS AKUSZTIKAI STIMULÁCIÓ
4.2.1.3.3. AZ ULTRAHANG BIOTECHNOLÓGIAI FELHASZNÁLÁSAIRA VONATKOZÓ KÖVETKEZTETÉSEK
4.2.1.4. AZ ULTRAHANG NÉHÁNY KONKRÉT ÉLELMISZERIPARI ALKALMAZÁSA
4.2.1.5. AZ ULTRAHANG SEJTBIOLÓGIAI HATÁSAIRA VONATKOZÓ VIZSGÁLATOK
4.2.2. AZ ULTRAHANG KÉMIAI ALKALMAZÁSAI
4.2.2.1. KRISTÁLYOSODÁSI FOK, VALAMINT ANYAGI MINŐSÉG MEGHATÁROZÁS ULTRAHANGGAL
4.2.2.1.1. ANYAGI MINŐSÉG VIZSGÁLATÁRA IRÁNYULÓ GYAKORLATI MÉRÉSEK
4.2.2.2. ULTRAHANG A GALVANIZÁLÁSBAN
4.2.2.3. A SZONOKÉMIÁVAL KAPCSOLATOS KÖVETKEZTETÉSEK
4.2.3. AZ ULTRAHANGTERÁPIA LEGÚJABB MÓDSZEREI
4.2.3.1. MÁGNESES MAGREZONANCIÁRA (MR) ALAPOZOTT ULTRAHANGSEBÉSZET
4.2.3.2. MAGASINTENZITÁSÚ FÓKUSZÁLT ULTRAHANG (HIFU)
4.2.3.3. GÉNMANIPULÁCIÓ ULTRAHANGGAL
4.2.3.4. ÁLTALÁNOS TERÁPIÁS ULTRAHANG ALKALMAZÁSOK
4.2.4. HÉTKÖZNAPI ÉS HÁZTARTÁSI ULTRAHANG FELHASZNÁLÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI
4.2.4.1. ULTRAHANGOS HEGESZTÉS, FORRASZTÁS
5. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK
6. IRODALOMJEGYZÉK

1. Bevezetés

 

A hangról általában mindenki tudja, hogy rugalmas közegben terjedő mechanikai hullám, de az ultrahanggal kapcsolatban hazai interdiszciplináris konferencián még ma is felmerül olyan kérdés, hogy -ha rákiabálunk egy sejtre, az attól valóban képes megváltoztatni az aktivitását-? A meglepő válasz az, hogy igen! Ez pontosan így történhet abban az esetben, ha elég hangosak vagyunk. Azonban egy ágyú elsütésekor az ágyúcső nyílása mellett közvetlenül 0,001W/cm² hangenergia mérhető, ugyanakkor mi pedig általában 10W/cm², vagy e feletti teljesítményekkel dolgozunk az anyagban, 1MHz körüli frekvenciatartományokban. Ez tehát akkora intenzitás, mintha a fülünk mellett közvetlenül egyszerre 10000 ágyút sütnének el. Így már könnyebb elképzelni, hogy ez biológiailag, illetve fizikailag mennyire hatékony lehet.

Ez az iszonyatosan nagy hangenergia „bűvös” dolgokra képes. Különböző akusztikai jelenségek alakulhatnak ki általa az anyagban, melyek egy részét ma már jól ismerjük, természetesnek tartjuk és alkalmazzuk, míg mások napjainkban kerülnek a tudomány homlokterébe. Néhány ilyen ismert akusztikai jelenség a kavitáció, az akusztikai áramlás, az állóhullám, a szökőkút-jelenség, az atomizáció, a szonolumineszcencia és a hőhatás.

Gyakran azt tapasztalom, hogy az ultrahang közvetlen alkalmazói nem tudják, hogy micsoda szenzációs eszköz van kezükben, céljaik megvalósítására, illetve a tudományos látókörük további kiszélesítésére. Sajnos nagyon sokszor az is előfordul, főleg ahol egy folyamat részeként használják az ultrahangot, tehát ahol természetesen nem a célja, hanem az eszköze egy technológiai sornak, vagy egy kutatásnak (sejt anyagcseretermékek kinyerésénél preparatív munka előkészítésekor, vagy az analitikai eluensek gáztalanításánál), hogy hatékonyságbeli problémákat okoz a szakszerűtlen alkalmazás, melyet egyszerű szakfogásokkal és „trükkökkel” orvosolni lehet.

Az elkövetkezendőkben ezeket a trükköket, szakfogásokat tárgyalom, az ultrahang konvencionális és a legmodernebb felhasználási lehetőségeinek tükrében, remélhetőleg mindenki számára izgalmas példákkal, saját kutatási tapasztalataim alapján.

 

2. UltrahangFizikai alapok

2.1. Hullámtan

 

Az ultrahang 16kHz frekvencia feletti mechanikai hullámokat jelent. Természetesen ez a frekvenciatartomány már az emberi fül számára általában már hallhatatlan, de nem úgy a kutyák, vagy például a denevérek számára, melyek a 30-50kHz-es frekvenciatartományt is kiválóan érzékelik.

Az ultrahangot aktív és passzív tartományra oszthatjuk, vagyis megállapodás szerint az 1W/cm² vagyis a 10000W/m² teljesítmény alatt passzív, míg felette aktív ultrahangról beszélünk. A passzív ultrahangot leginkább az anyagtulajdonságok vizsgálatára, míg az aktív ultrahangot az anyag tulajdonságainak a megváltoztatására alkalmazzuk.

Az aktív ultrahang anyagtulajdonság befolyásoló képessége az anyagban kialakuló hullám- és akusztikai jelenségekkel függ össze. Folyadékokban és gázokban longitudinális hullámok, míg szilárd anyagokban emellett többek között a tranzverzális és a tágulási hullámok is jellemzőek, melyekre többek között egy adott szilárd anyagban eltérő hangsebességek jellemzőek. Longitudinális hullám esetén a hullámmozgást végző közeg sűrűsödései (C) és ritkulásai (R) a hullám terjedésének irányában vannak (1. ábra).

 

 

 

 

1. Ábra: Longitudinális hullám (C, sűrűsödések, R, ritkulások)

 

Mivel a legtöbb aktív ultrahang alkalmazást (kivéve például az ultrahanghegesztés és forrasztás) a folyadékokra és a folyadékszerű anyagokra alkalmazzuk, ezért e tanulmányban a folyadékközegekre jellemző hullám-, és akusztikai jelenségekkel és azok alkalmazásával foglalkozom.

A longitudinális hullámoknál, amennyiben egy szinusz hullámra gondolunk (2. ábra), úgy rögtön szemünk előtt lebeg, hogy egy hullámon belül van egy fel- és egy lefelé irányuló ív, ami együttesen egy hullámhossz (λ) nagyságú, amely az adott anyagra jellemző hangterjedés sebességének (c) és az alkalmazott frekvenciának (f) a hányadosa, vagyis λ=c/f.

 

 

2. Ábra: Szinusz hullám

 

A szinusz hullámban az ívek vízszintes középtengelytől számított magassága és mélysége az amplitúdó. A hullámhossz többek között abban is alapvető szerepet játszik, hogy mennyire irányítható a hangsugár. A téma jelentőségére történelmi példát idézek. Horthy Miklós korai „csillagháborús” törekvései a múlt században, jellegükből fakadóan természetesen érintették az ultrahangot is, mint az akkori egyik legtöbbet ígérő provizórikus technikát. Ez a lendület Békésy György, 1961-ben orvosi Nobel-díjat kapott Professzor magyarázatára szerencsére alábbhagyott, miszerint az ultrahangot fegyverként alkalmazni, célszerűen valamely távoli objektum irányított elpusztítása céljából lehetetlen, mivel kizárólag a magas frekvencián irányítható jól a hang, illetve az a hullámhossz-csökkenésével (frekvencia növekedésével) egyenes arányban növekvő mértékben adszorbeálódik a levegőben, illetve bármely közegben. Az előző példával tehát azt próbáltam érzékeltetni, hogy milyen fontos összefüggésben van a hullámhossz, a frekvencia és a kezelt anyag minősége.

Magától értetődő módon, azonos anyagban kisebb távokon a hangok elnyelődése, abszorpciója kisebb mértékű, tehát az irányított, linearizált hangsugárral nagyon komoly tevékenységeket lehet folytatni. Szép példa erre mentorom, Greguss Pál Professzor tevékenysége, aki az akusztikus holográfia nemzetközileg elismert megalkotója és az 1971–ben (a holográfia linearizált fény, vagyis a lézer segítségével történő megvalósításáért) fizikai Nobel-díjat kapott Gábor Dénes pálya- és versenytársa, illetve a PAL (Panoramic Annular Lens) optika feltalálója volt. Hasonló jelenség érhető el tehát mechanikai, vagyis hanghullámokkal, mint elektromágneses hullámokkal, vagyis előállítható hologram ultrahang segítségével is, nem csak lézerrel.

Az irányított, linearizált hangsugár alkalmazására további szinte sci-fi regényekbe illő példa a már hazánkban is nagy sikerrel alkalmazott, az egészségbiztosítási pénztár által 2004. január 1.-től támogatott MR-re (Mágneses Magrezonanca) alapozott vágás nélküli ultrahang sebészeti eljárás, hangsugarak segítségével, ahol ambuláns módon, nem kísérletileg, hanem alkalmazott eljárásként történik a daganatok eltávolítása. Más szóval az operáció egyetlen vágás nélkül elvégezhető úgy, hogy a beavatkozás után rögtön távozhat a beteg, és a műtét nem befolyásolja negatívan a páciens életminőségét és munkaképességét. Magyarországon alkalmazott, nem kísérleti jellegű eljárásról van szó! Világszinten, a fókuszált ultrahangos sebészeti eljárást egyre gyakrabban alkalmazzák, -igaz ma még kísérletileg- a koponya felnyitása nélküli agydaganat eltávolítására is. A technológia jelenleg a 0,1mm pontossági határon tart, amely már az emberi kéz pozicionálási képességén is túlmutat.

 

2.1.1. A hangsugár elváltozásai a hangtérben

 

A longitudinális hanghullám akusztikai határfelülethez érve, vagyis a hangvezető közegtől eltérő akusztikai keménységű közegnél reflektálódik, elhajlik, törik, illetve bizonyos esetekben szóródik (3. ábra). A hangszóródás tehát ott jelentkezik, ahol a hullámok rugalmas közegbe ágyazott idegen testhez, akadályhoz érnek. A reflexiós és az átbocsátási fok meghatározására általában a következő [1-3]. képletet alkalmazzuk Tarnóczy (1963) szerint, a folyadékba merülő, folyadéktól eltérő akusztikai keménységű lemezre, illetve idegen testre vonatkozóan:

 

R=((q²-1)²)/((q²+1)²+4q²ctg²(2πd/λ))         [1].

q=(ρ₂*c₂)/(ρ₁*c₁)                                       [2].

z= ρ*c                                                       [3].

 

Ahol (R) a visszaverődési fok, (z) az akusztikai keménység, (q) a két közeg akusztikai keménységének hányadosa, (d) a lemez (test) vastagsága, (λ) a lemezben (testben) kialakuló hullámhossz, (ρ) a térfogattömeg, (c) a hangsebesség adott közegben.

Az [1]. képlet lényege, hogy z=ρ₁*c₁ akusztikai keménységű közegbe ρ₂*c₂ akusztikai keménységű (d) vastagságú lemez, illetve test merül. Ekkor a lemezre merőlegesen beeső hangrezgések visszaverődési foka: (R). Ebből az átvezetési fok: S=1-R.

 

(A)(B)

 

3. Ábra: A longitudinális hullámok alapvető elváltozásai (A, hullám elhajlás, B, törés, reflexió)

 

A hullámok viselkedésének megértéséhez alapvető szempont az akusztikai keménység figyelembe vétele. A 3.A. ábrán megfigyelhető, hogy az eredeti hangvezető közegbe ágyazott eltérő akusztikai keménységű térelemen lévő résen a longitudinális hullámok elhajlanak, illetve a hullámhosszhoz viszonyítva megfelelően kis rés esetében gömbhullámok alakulnak ki.

A 3.B. ábrán megfigyelhető, hogy az akusztikailag lágyabb közeg felől történő hullám belépéskor (például levegőből vízbe lépéskor) a hullámok törnek és reflektálódnak, illetve egy bizonyos belépési szög alatt az összes beeső hullám reflektálódik és semmi nem lép be a folyadékba. Az akusztikai keménység (z) tehát a közeg sűrűségének (ρ) és hangvezetési sebességnek (c) a szorzata, vagyis z=c*ρ. Könnyűszerrel belátható, hogy amennyiben egy vízben terjedő longitudinális hanghullám például gáznemű közeg határához ér, akkor a közel négy nagyságrendnyi akusztikai keménység különbség miatt majdnem 100%-ban visszaverődik onnan.

 

2.1.2. Az álló- és a haladó hullámok kialakulásának fizikai alapjai

 

A hullámok találkozásánál a visszaverődés miatt interferencia lép fel, mely a hullámpontok helyi és pillanatnyi értékeinek előjel és nagyság szerinti összegződése, amelyekből egy eredő hullám alakul ki, a találkozó hullámok szuperpozíciójaként. Akkor alakul ki állóhullám, ha két azonos típusú, frekvenciájú és amplitúdójú, de ellentétes irányú hullám találkozik, tehát az állóhullám interferencia jelenség. Nagyon fontos, hogy az állóhullám olyan hullám, melynek mentén a csomópontok és duzzadó helyek térbeli elhelyezkedése nem változik (4. ábra).

Érdekes az a tény, hogy amennyiben folyadékfelületről történik a hullám visszaverődése, akkor a sebességi csomópontokban (a hullám maximális sebességi pontjai), amikor szilárd felületről történik a reflexió, akkor a nyomási csomópontokban (a hullám maximális nyomási pontjai) történik meg a maximális akusztikai nyomás amplitúdójú visszaverődés. Minden más hullámpont általi reflexiós felület érintés a beeső hullámhoz képest gyengített visszavert hullámot eredményez. Persze ellenkező esetben, ha a folyadékfelületről a nyomási és a szilárd felületről a sebességi csomópontban történik határfelület érintés, akkor kioltásról beszélünk, tehát nincs visszaverődés és nincs állóhullám sem. Ehhez a gyengítési hatáshoz járulhat még hozzá a közegek közötti eltérő akusztikai keménység érték, valamint a beesési szög, amelyek alapján dől el, hogy az eredeti hullám energiájának mekkora része hatol be egy anyagba.

Hogy a reflexiós felületet érintő hullámpont jelentőségét érzékeltetni tudjam, nézzünk meg egy szinusz hullámot, mely vízben halad és 1MHz frekvenciájú. Ennek a hullámnak a hullámhossza λ=c/f összefüggés szerint λ=1482(m/s)/1000000(1/s)=1,48mm. Ez azt jelenti, hogy 1,48mm-en belül 2 helyen, vagyis 0,74mm-en dől el, hogy maximális reflexiós hatást kapok-e és fel tud-e épülni az állóhullám, vagy kioltást eredményez a reflexió, tehát 0,74mm-en belül alakul ki a „mindent, vagy semmit” hatás.

 

 

4. Ábra: Állóhullám séma

 

Az állóhullám tehát általában úgy keletkezik, hogy egy haladó hullám valamilyen akadályon, például levegő határfelületen visszaverődik és az eredeti, valamint a visszavert hullám interferál.

Ha egy irányba halad a hullám, akkor haladó hullámról van szó. Ebben az esetben a longitudinális hullámot a legegyszerűbben a 2. ábrán ábrázolt szinusz hullámok hosszú soraként képzeljük el a térben, melyek amplitúdója, azaz az íveik magassága és mélysége a sugárzótól távolodva egyre kisebb, vagyis a hangintenzitás így csökken az adszorpció miatt. (Természetesen más hullámformák is elképzelhetőek, így négyszög, háromszög, stb.) A Huygens-elv kimondja, hogy a közeg minden egyes pontja az odaérkező hullám hatására pontszerű gömbi hullámforrássá változik, azaz a hullámfront minden pontja újabb hullámforrás, amelyből további hullámok indulnak ki.

A hullámhosszhoz viszonyított nagyon kicsi részecskék képesek együtt mozogni a térrel, illetve arról gömb hullámok terjednek tova, amelyek a vezető hullámok energiájának egy részét elvonják, adszorbeálják, szétszórják, diszpergálják a térben.

 

 

 

2.1.3. Near field – Far field

 

Az ultrahangtérben a hangnyalábot feloszthatjuk hektikus energia eloszlású közeltérre (near-field), illetve egyenletesebb energia eloszlású távoltérre (far-field) (5. ábra).

 

                  

 

5. Ábra: A közel- és távoltér elhelyezkedése a sugárzás irányában

 

A közel-, és távoltér határa kör alakú rezonátorra N_kör=d²*f/4*c, amely képletben a (d) a rezgő átmérője, az (f) a frekvencia, a (c) pedig a hangsebesség. A hangtér tehát a tér minden olyan pontja, ahol a hanghullámokra jellemző, váltakozó nyomás lép fel. A közel és távolteret a tudomány és az alkalmazott technika eltérően ítéli meg. Abban az esetben, ha kavitációs technikát alkalmazunk (tisztítás, sejtroncsolás, stb.), teljesen mindegy, hogy mely zónában dolgozunk, mivel az amplitúdót a kavitációs szint fölé emelve drasztikus hatás érvényesül a hangtér minden egyes pontján. Azonban irányított, vagy finom kísérleteket és technikákat általában ajánlott a távol térben végezni, mivel itt az előzőekben is említett módon sokkal kiszámíthatóbb, tervezhetőbb az akusztikai energia eloszlása. Az 5. ábrán megfigyelhetőek az úgynevezett gyengítési interferenciazónák, melyek a közel térben lévő hidegebb színnel jelölt területek, és ami miatt hektikusabb a közel tér energia eloszlása. Ezek a területek a sugárzás jellegéből fakadóan alakulnak ki, kiküszöbölésükre vagy fázisgyűrűs koncentrátorokat, vagy a későbbiekben említett kompozit-kerámiákat alkalmazhatjuk.

 

2.1.4. Levitáció

 

Az előzőekben tehát tisztáztuk az álló és a haladó hullámok fogalmát, illetve azt, hogy az akusztikai állóhullámtérben a hullámhosszhoz viszonyított kis méretű részecskék képesek a hanghullámmal együtt mozogni, azaz akár folyadékban, akár gáznemű közegekben képes kialakulni a levitáció, vagyis a tárgyak, fizikai objektumok lebegése (6. ábra).

 

 

6. Ábra: Az állóhullám részecskekoncentrációs hatása

 

A 6. ábra azt mutatja, hogy az akusztikai állóhullámtérben a hullámhossznál kisebb részecskék hogyan rendeződnek el az állóhullám időbeli jelenlétének előrehaladtával.

Abban az esetben, ha a vivőközegnél nagyobb sűrűségű szemcséket diszpergálunk a térben, akkor a nyomási, ellenkező esetben a sebességi csomósíkokba rendeződnek. E jelenséget először Kundt mutatta be látványosan a „Kundt cső” segítségével a XIX. század végén. E zseniális fizikai jelenségre napjainkban egyre-másra születnek a futurisztikus alkalmazások, amelyről elöljáróban talán elég annyit elmondani, hogy jelenleg a NASA-nak ez az egyik legkomolyabban támogatott programja. Ezáltal a földön kialakítható az anti- vagy mikrogravitációs tér, vagyis kvázi űrkörülményeket teremthetünk itt a földön (7. ábra), amivel rengeteg pénzt és kockázatot spórolnak a költséges űrkísérleteken. A 8. ábra akusztikai levitátor sémát mutat.

 

(A)    (B)    (C)

 

7. Ábra: Akusztikai levitáció (A, lebegő habpamacsok (SAAL technika), B, lebegő olvadt fém TAAL technika, C, lebegő folyadékcseppek (SAAL technika))

 

 

8. Ábra: Akusztikai levitátor séma

 

A SAAL technika az egy akusztikai tengelyre (Single Axis Acoustical Levitator), a TAAL technika pedig a három akusztikai tengelyű (Three Axis Acoustical Levitator) eljárásra utal. Természetesen az alkalmazások közt az dönt, hogy milyen fajsúlyú, milyen minőségű, mekkora mennyiségű minta lebegtetését akarjuk megoldani. A 7.B. ábra éppen lebegtetett fém szemcsét mutat be, melyet lézer segítségével megolvasztanak és ezután vagy spektrometriai, vagy egyéb típusú analitikai vizsgálatokat tudnak elvégezni azon. A SAAL technikák érthető okokból, az alacsonyabb akusztikai nyomás amplitúdó (kisebb akusztikai térintenzitás) miatt inkább a kisebb fajsúlyú szemcsék, lapkák, pászmák cseppek lebegtetésére alkalmasak. A másik ok az egy, illetve a háromtengelyű alkalmazásra a lebegő csepp alakja. Mivel ha elképzelünk egy álló szinusz hullámot (4., 6., ábra), akkor könnyű belátni, hogy egy tengely esetén a csepp formája diszkosz, kettő esetén szivar, három esetén viszont gömb formájúra módosul. Persze egy tengely esetén is vannak alkalmazási módok a kvázi gömb alakú lebegő objektum kialakítására, azonban a TAAL technika kiszélesíti a skáláját a vizsgálható objektumoknak.

Magától értetődő módon ennél az alkalmazásnál elsősorban nem arról van szó, hogy egy embert, vagy egy űrhajót akarnak lebegtetni a földfelszín felett, aki a rakétában kísérletezik, hanem azokat a fizikai, kémiai és biológiai kísérleteket szeretnék a földön olcsóbban elvégezni, melyekből, ha eddig összejött 20-30db, akkor azért már fellőttek egy űrhajót. Soha nem látott lehetőségek adódtak ezzel a kristályosítás, szövettenyésztés, sejt anyagcseretermékek kialakítása, új biokémiai reakció utak, sejt- és telepmorfológiai formák és rengeteg egyéb például fém analitikai alkalmazásokra. Ismét csak emlékeztetni szeretnék minden kedves olvasót, hogy ne felejtsük el, hogy ez egy vadonatúj, általunk is alkalmazható technika.

Ha sikerült e hazánkban és világszerte még teljes mértékben kiaknázatlan technológia iránt érdeklődést indukálnom, úgy keressék a kontaktust, a szükséges technikai feltételek kialakításáért, mivel sorozatgyártású levitátor még 2003 első félévéig nem jelent meg a piacon, az eltérő tudományos igények miatt.

 

2.2. Nemlineáris akusztikai jelenségek, akusztikai áramlás

 

Fontos megemlíteni az akusztikai áramlást, mely a folyadék nemlineáris viselkedése következtében alakul ki, mivel a folyadék kevésbé összenyomható, mint amennyire kitágul, illetve azért, mert a térben nem egységes az energia disszipáció. Az áramlást két nemlineáris jelenség alakítja ki, melyek közül az egyik a folyadék dinamikájának nemlineáris viselkedése, ami a tehetetlenségi erő dominanciáját jelenti a viszkozitási erővel szemben, a másik a nemlineáris akusztikai hatás, ami az akusztikai áramlás hajtóerejének alapja. Képletesen gondoljunk egy tengeri hullámra, amely tornyosul, majd önmagán átbukik a véges amplitúdók miatt (9. ábra).

 

 

9. Ábra: Felületi hullám torzulása

 

A fenti ábrához hasonlóan torzul a szinusz hullám is a térbeli haladása közben (10. ábra), méghozzá a hullám pozitív részében egyre nagyobb amplitúdó értékek alakulnak ki a transzdúcertől távolodva, illetve közelebb jár a valósághoz, ha inkább lökéshullám (Shock Wave) kialakulásról beszélünk, persze azon a hullám által megtett úton, amelyen még nem adszorbeálódik és alakul hővé a hullám energiája.

 

 

10. Ábra: A szinusz hullám (A) és torzulása (lökéshullám) (B)

Tipikusan nemlineáris jelenség akusztikai áramlás, vagy „kvarcszél” amely egy állandó folyadékmozgás, amit az intenzív ultrahang okoz a fent vázolt fizikai okok miatt. Ennek során a folyadékban szemmel látható keveredés, turbulencia tapasztalható, amelynek látványos élményszerűsége csak fokozható indikátoranyagok (festékek) folyadékhoz adagolásával (11. ábra). Félretéve a viccet, az akusztikai keverőhatás akár az élelmiszer-, akár a vegyipar, bio-, és környezettechnika számára tartogat újdonságokat, ugyanis a keverés mellett „egy menetben” megvalósítható a diszpergálás (emulzió és szuszpenzió előállítás), a csírák serkentése, vagy éppen gátlása, roncsolása. Természetesen a technológia alkalmazhatóságának néhány esetben határt szabhatnak a kezelendő anyag fizikai tulajdonságai, pontosabban inkább az extrém körülményekhez szükséges berendezések kialakításának költségei. Szélsőséges, de az 1960-as években megoldott esetnek számít, az ultrahangos bitumen keverési eljárás aerodinamikus ultrahang generátor segítségével. A legtöbb folyadék esetében akár önállóan, akár kombinált eljárásként, az előbb felsorolt műveletek elősegítésére, vagy a hő-, és anyagtranszport folyamatok intenzívebbé tételére alkalmazható az ultrahang.

 

 

11. Ábra: Ultrahangos folyadékkeverő

 

Az ultrahang története során többször felmerült a lökéshullám jelenség vagy az akusztikai nyomás amplitúdó nagyság miatt, hogy mivel az akusztikai nyomás amplitúdó növekedése, vagyis a hullámtorzulás (9., 10. ábra) kis kibocsátott ultrahang intenzitások mellett is előfordul, akkor mi a helyzet a diagnosztikai ultrahanggal? Köztudott, hogy a diagnosztikai ultrahangot például a folyadékkal telt, vagy a savós testüregek feltérképezésére, így például a magzatnak a magzatvízen, a szívnek a véren, vesének a vizeleten keresztül való vizsgálatához alkalmazzák többek között. Az 1970’-es években az egyre erősödő tudományos nyomásra hirtelen „felfedezték” hogy ez a hullámtorzulás bizony ezeken a helyeken is kialakul, ami nem lenne baj, mert képen modellezve ez nagyon látványos jelenség (9. ábra), csakhogy a növekvő akusztikai nyomás amplitúdó (a lökéshullám) az ultrahang egyik legdrasztikusabb későbbiekben tárgyalt akusztikai jelenségét, a kavitációt váltja ki ezeken a helyeken is. A kavitáció pedig nemcsak a sejtek, makromolekulák, de még a legkeményebb fémek szétroncsolásának is az alapvető akusztikai kiváltója. Emiatt a 70’-es évek végén 80’-as évek elején pánikszerűen kijelölték a legmagasabb intenzitást, amelyet a diagnosztikai ultrahangnál alkalmazni lehet, vagyis azt az intenzitást, amely elméletileg a reflexióhoz elegendő csak és a szövetekben „gyorsan” adszorbeálódik, különösebb hőképződés nélkül. Búvópatakként, természetesen újra és újra előkerül a téma a konkurens technológiák bevezetésénél, amire például, az ECMUS, BMUS, WFUMB szervezetek majdnem évente kiadnak egy aktuális biztonsági szintet, természetesen külön az egyes diagnosztikai alkalmazásokra és berendezés típusokra. Végső soron leszögezhető azonban, hogy a diagnosztikai ultrahang maximális intenzitása 1W/cm² alatt néhány száz mW/cm² körüli érték (már évek óta).

 

2.2.1. Atomizáció

 

Az akusztikai áramlás, illetve a hullámtorzulás átviteles, járulékos hatása az atomizáció. Ez a jelenség, az ultrahanggal besugárzott folyadékok (víz, fertőtlenítőszer, olvadt fémek, stb.) kiporlasztását jelenti, amelynek kapcsán „szökőkút” jelenség is kialakul, ami szintén egy igen látványos, azonban például az asztmakezelésben és rakéta és járműipari technikában annál hasznosabb jelenség (12. ábra).

Az atomizáció kapcsán a folyadékszemcsék a gázközegbe kerülnek, mely folyadékrészecskék hordozhatnak fertőtlenítő- és 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 alulról történik az ultrahang besugárzás. Ekkor az alsó nehezebb közeg felé alakul ki ez a „szökőkút” alakzat és nincsen kiporlasztás sem.

 

(A)   (B) (C)

 

12. Ábra: Ultrahangos atomizáció (A, akusztikus inhaláló, B, szökőkút jelenség és atomizáció (Forrás: Lőrincz, A., 2003), C, akusztikus porlasztó)

 

2.3. Akusztikai kavitáció

 

Nagyon fontos akusztikai jelenség a kavitáció, melynek a széleskörű laboratóriumi és ipari alkalmazásai miatt érdemes egy külön fejezettel adóznunk. A kavitáció folyadékban történő üreg-, vagy buborékképződést jelent (13. ábra). A 13. ábra bal oldalán egy szilárd fal mellett kialakult „jet” vagy tűszerű belövellést mutató kavitációs buborékot láthatunk, míg a jobb oldalon egy szabad folyadékközeggel határolt kavitáció, vagyis üreg látható. Mindkettő úgynevezett „tranziens, vagy tehetetlenségi kavitáció”.

 

(A)         (B)

 

13. Ábra: Tranziens kavitációs üreg (A, szilárd fal melletti „jet formájú” és B, szabad folyadékkel határolt tranziens kavitáció)

 

A kavitációs jelenség olyan folyadékokban alakul ki, amelyek akusztikai zavarnak, vagy talán esetünkben egyszerűbben érthető, hogy ultrahang besugárzás hatásának vannak kitéve és akkor, ha az akusztikai nyomás a hangciklus ritkulási fázisának folyamán a teljes nyomást nézve lecsökken egy bizonyos küszöb, vagy határérték alá. Ez a határérték a kavitációs küszöb. A kavitációs küszöb akusztikai nyomás amplitúdó határértéke számos fizikai paraméter függvénye, amelyek a közeg állapotát írják le. Ezekhez a fizikai tényezőkhöz tartozik a hangintenzitás, a hangfrekvencia, a hőmérséklet, a nyomás, az oldott gáz típusa, mennyisége, a viszkozitás, a közeg előélete, a kavitációs magok típusa, mennyisége, az oldott ion koncentráció, stb.

 

2.3.1. Kavitációs magok

 

Fontos megjegyezni, hogy a kavitációs üregek úgynevezett kavitációs magokból növekednek ki. Több elméleti modell áll rendelkezésünkre a kavitációs magokra, melyek közül a legfontosabb a szerves bőr modell és a hasadék modell. A szerves bőr modell azt jelenti, hogy a mikro-buborékokat apoláris és poláros részekből álló molekulák filmszerű rétegének stabilizációja óvja meg a gáz folyadékba történő diffúziója ellen. A hasadék-modell pedig azt jelenti, hogy a folyadékokban lévő mikro-méretű szennyeződéseken, illetve az edény falain, illetve a szilárd felületeken szintén mikro-méretű hasadékok találhatóak, melyekben csapdázott gáz található. Ebből a „gázzsebből” (gas pocket) az oszcilláló hullámtérben a negatív nyomási fázisban fog „kinőni” a kavitációs üreg. Voltak, akik figyelembe vették a folyadékok felületi feszültségét, melyek befolyásolják a gázzsebben stabilizált kavitációs mag folyadékkal alkotott érintőszögeit, amely azt befolyásolja, hogy mekkora akusztikai nyomás amplitúdóra van ahhoz szükség, hogy ez a gázzseb, vagy gáz test „aktiválódjon” (gas body activation).

 

2.3.2. Kavitáció típusok

 

Minimum két különböző kavitációtípust, vagyis folyadékban történő üreg,- vagy buborékképződést célszerű ismerni, és tudni megkülönböztetnünk a hatékony ultrahangos munkánkhoz.

 

2.3.2.1. Tranziens (tehetetlenségi) kavitáció

 

Az első, a fent említett (13. ábra) tranziens, tehetetlenségi, vagy hard kavitáció, amely során a kavitációs üreg egy akusztikai ciklus során megnövekszik, majd hevesen összeomlik. Amennyiben ez az összeomlás szilárd fal, vagy felület mellett zajlik (sejtmembrán, szivattyú rotor, hajócsavar, stb.), úgy az a falra nézve drámai következményekkel jár, a következő mechanizmus szerint (14. ábra).

 

      

 

14. Ábra: Tranziens kavitáció összeomlás szilárd fal mellett (A, az összeomlási folyamat, B, tűszerű kilövellés „jet”)

 

Szilárd fal melletti kavitációs üreg tranziens összeomlása során a kavitációs üreg szilárd fal felőli oldalán, a szabad folyadék felőli oldalhoz képest a közegáramlás összetevője erőteljesen lecsökken. Ezért a kavitációs üreg falának mozgása a középpontjához képest aszimmetrikussá válik. Ezáltal az üreg folyadékból alkotott falának a szilárd fallal ellentétes oldala nagyobb sebességre szert téve fog az üreg középpontja felé mozogni, mint a szilárd fal felőli üregoldal. Az üreg falának aszimmetrikus egyre gyorsuló mozgása a leggyorsabb részen egy tűszerű folyadéksugár kialakulását eredményezi, ami tehetetlensége miatt nagy sebességgel átdöfi a buborékot (13.A., 14. ábra), ezzel a vele szemben elhelyezkedő szilárd falat, így például sejteket, szivattyúlapátokat, hajócsavart, ultrahangkészüléket, kőszemcséket erőteljesen erodálja (15. ábra). A 15. ábra azt mutatja be, hogy a tranziens kavitációs buborékok a dolomit szemcsékre milyen drasztikus hatással vannak. A kiindulási állapothoz képest, hozzávetőleg 10 perces 1Mhz-es 12W/cm² teljesítményű kezelés után, szemmel látható módon lecsökkent a szemcsék mérete, azaz erodálódtak.

(A)   (B)

 

15. Ábra: Dolomit szemcsék ultrahangos eróziója (A, kiindulási állapot, B, 15 perc kezelés utáni állapot (Forrás: Lőrincz, A., 2003))

 

Az erózió miatt kell cserélhető titánhegyet vennünk és bizonyos időszakonként cserélnünk is az ultrahang berendezésünkön található mechanikai erősítő oszlopon (16. ábra). Amennyiben a kavitáció nem szilárd fal mellett omlik össze, úgy inkább a kémiai roncsoló hatás érvényesül, mivel a tranziens kavitáció során a molekulák széttöredezése is megfigyelhető. A molekulák roncsolódása főleg az erőteljes mechanikai lökéshullámnak, illetve mikroáramlásoknak, illetve az összeomláskor kialakuló 10-35000K hőmérsékletnek és a több ezer bar nyomásnak köszönhető.

 

 

16. Ábra: Konvencionális ultrahangos sejtroncsoló séma

 

A kavitációs erózió hatására változik a transzdúcer, illetve a mechanikai erősítő rudak hossza, ezáltal megváltozik azok rezonanciafrekvenciája, illetve az a pont, ahol a hullám elhagyja a transzdúcerünket. Mivel eredetileg a legnagyobb hatékonyságra tervezett λ/2 valahányszorosa a transzdúcer és mechanikai erősítő rúdhossz (17. ábra), ezért az eróziótól erősen lecsökken a kezelő berendezésünk hatékonysága. Az tehát egy trükk lehet a hatékony ultrahangos munkáért, ha figyelemmel kísérjük a berendezésünk minőségét és ha szükséges, akkor beavatkozunk.

 

 

17. Ábra: A legáltalánosabb mechanikai erősítők

 

Az eróziót onnan ismerjük fel legjobban, hogy a felcsavarozható titán hegyen (tip) bevésődések, egyenetlenségek jelennek meg. Ekkor azonnal cseréljük le ezt az alkatrészt, amit egyszerűen ki és vissza lehet csavarni.

A következő trükkünk a hatékony ultrahangos tevékenységért pedig azon alapszik, hogy mivel a tranziens kavitáció szerencsénkre hangjelenséggel jár, mégpedig olyannal, amit mi is hallunk (a laboránsok szerencsétlenségére), ezért a saját érzékeinkre hagyatkozva képesek lehetünk megállapítani, hogy mikor történik a céljainknak legmegfelelőbb munkavégzés. Tehát, abban az esetben, hogy ha a besugárzás folyamán 16kHz, vagy efelett működő berendezésünknél éles, pattogó, vagy sistergő hangot hallunk (21. ábra), ez nagyon jó jel lehet, mivel a rosszul hangolt akusztikai berendezés szétesése előtti alharmonikus kibocsátás bűnös gondolatának elodázása után örömmel konstatálhatjuk, hogy a rendszerünkben tranziens kavitáció található. Ez pedig az anyagra nézve drasztikus tevékenységet folytatók számára öröm kell, hogy legyen, mivel hozzásegítheti őket céljaik eléréséhez. Abban az esetben, amikor viszont nem halljuk ezt a hangot és éppen például sejtfeltárást folytatunk, akkor ne habozzunk növelni az amplitúdót, vagy újra hangolni a berendezést, illetve ellenőrizni, hogy mindent helyesen állítottunk-e össze, mivel ekkor minden egyes kezelési perc feleslegesen múlatott idő. Tehát emberi fül számára is hallható jelei vannak a tranziens kavitációnak, amely kavitációtípus az anyag roncsolódását okozza.

 

2.3.2.2. Stabil kavitáció

 

A másik fontos ismerendő kavitációtípus a stabil kavitáció. Stabil kavitáció akkor történik, ha a buborék számos cikluson keresztül oszcillál, a térből való távozás, vagyis felszínre vándorlás, illetve összeomlás nélkül és a depresszió alatt mérete csökken, majd az ellenkező fázisban újra kitágul, mivel gőzt tartalmaz (18. ábra). Bizonyos esetekben a depressziós akusztikai ciklus alatt tágul, az ellenkező akusztikai fázisban pedig zsugorodik a buborék, amelynek az erőteljes több ezer kelvines hőképződés lehet az eredménye. A tranziens kavitáció nem, vagy csak elenyésző mértékben tartalmaz gőzt, mivel olyan hevesen zajlik le, hogy a diffúzióra nagyon kevés idő áll rendelkezésre. De nem úgy a stabil kavitációnál. Ebben az esetben a buborék valóban buborék formájú és a mikro méretű buborékból a látható „nagy” buborékká való növekedéséhez nagyon sok ezer, sőt akár több millió oszcillációra is szükség van (1MHz-en 1 másodperc alatt 1.000.000 hangciklus van, 10kHz-en pedig 10.000). Ebben az esetben ez alatt a számos hangciklus alatt van ideje az oldott gázoknak, a vízgőznek és az egyéb anyagoknak a buborékba diffundálni. A stabil kavitációs buborék az oszcilláló akusztikai tér miatt saját frekvenciával rendelkezik, illetve általában további felületi rezgések is kialakulhatnak rajta (al, és felharmonikusok kiváltói), melyek a buborék környezetében erőteljes turbulenciákat indukálnak. Ezeket a turbulenciákat nevezzük mikroáramlásoknak, melyekre magas nyíróerő a jellemző, és amelyet a sejtbiológiai hatások egyik kiváltójaként tartanak számon.

 

 

18. Ábra: A stabil kavitáció sémája

 

A stabil kavitációs buborékok az akusztikai tér oszcillációjától vezéreltetve egy adott rezonanciafrekvencián sugárzóvá válnak. A buborékok eltérő rezonanciafrekvencián pedig eltérő egyensúlyi méretűek. Ez azt jelenti, hogy amennyiben a vivőfrekvencia, azaz az a berendezésünk kibocsátott frekvenciája magasabb, akkor kisebb, míg az alacsonyabb vivőfrekvenciák mellett nagyobb ez az egyensúlyi, rezonanciafrekvenciára jellemző buborékméret. A stabil kavitációs buborék pedig „ekörül” az egyensúlyi méret körül oszcillál, azaz tágul és szűkül, az akusztikai tér váltakozásának megfelelően, vagy azzal ellentétesen, vagy fáziseltolódással. A buborékok, az önállóan kibocsátott hangsugárzás által szétterítik, eloszlatják, csillapítják, szórják az eredeti akusztikai energiát a hangtérben. A gázzal telt stabil kavitációs buborékok rezonanciafrekvenciája (f₀) a [4]. egyenlet szerint:

 

f₀ = ω₀/2π = 1/2πR₀*√3κp₀/ρ  [4]

 

A képletben a (ρ) a folyadék sűrűsége, (p₀) a környezeti nyomás, (R₀) a gázbuborék sugara, (f₀) a rezonancia frekvencia, (κ) a politrópikus index, azaz a fajhők aránya, vagyis az állandó nyomáson és az állandó térfogaton vett fajhők hányadosa, (ω₀) a körfrekvencia (ω=2πf), az (f) pedig az ultrahang frekvenciája. Látható a [4]. egyenletben, hogy a rezonanciafrekvencia és a buboréksugár milyen szoros összefüggésben állnak. Akkor beszélünk vízbeli levegőbuborékokról, ha azok átmérője nagyobb, mint 10μm. Ebből azt tudjuk pontosan meghatározni, hogy amennyiben egy adott méretű stabil kavitációs buborékra van szükség, például szonokémiai alkalmazásra, akkor mekkora az a vivőfrekvencia, amellyel dolgoznunk kell.

Kijelenthető, hogy ha szabad szemmel látjuk a folyadékban a kavitációs buborékokat, akkor minden bizonnyal stabil kavitációval van dolgunk (19. Ábra).

 

19. Ábra: Stabil kavitációs buborékok (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

Miért is fontos nekünk, hogy milyen típusú kavitációs buborékok, vagy üregek vannak a rendszerben? Azért, mert mindkét kavitációtípust másra lehet és kell is használni! Számos tudományos közlemény vitatja és bizonyítja a mai napig a stabil kavitáció, vagyis az oszcilláló, gázzal telt buborékok hatékony roncsoló hatását, a mikroáramlások nyíróerején keresztül. Azonban a tranziens kavitáció hatékonyságát soha senki nem kérdőjelezte meg, (illetve aki még a XX. század elején ezt megtette, később saját maga bizonyította, hogy nem volt igaza) és ez a lényeg! A stabil kavitáció alacsonyabb intenzitásszintek mellett is kialakuló határjelenség, amit például a magas sejt, vagy szemcsekoncentráció, az alacsony oldott gáztartalom, stb. egyszerűen megszüntet. Ezáltal állandó kontroll alatt kellene tartanunk a rendszert, amire ésszerűen természetesen egy technológiai sorban alkalmazott eszköznél sincsen mód. Ezáltal amennyiben arra törekszünk, hogy minél hatékonyabb ultrahangos munkát végezzünk, akkor célszerű a kavitációs határzóna feletti intenzitással (amplitúdóval) dolgoznunk, amelynek hatására a biztató fülsértő éles hang (kavitációs hang = cavitation noise) kompenzálása kapcsán a laboratóriumi rádiónkat e munkafázis időtartamára feljebb kell hangosítani.

Továbbá ne feledjük bizonyos időszakonként ellenőrizni a titánhegy állapotát a mechanikai erősítőrúdon, illetve ha szükséges, akkor cserélni azt.

 

2.3.1. A kavitációra, illetve az akusztikai jelenségek kialakulására vonatkozó vizsgálatok

 

         A következőkben a sejtkoncentráció fontosságára hívom fel a figyelmet, melynek a kavitációra gyakorolt hatását vizsgáltam. Anélkül, hogy különösebben belemennék a tudományos kutatások dzsungelébe, és a mélyebb fizikai összefüggésekbe, inkább csak említésszerűen utalnék a sejtkoncentráció jelentőségére a kavitációs jelenséggel kapcsolatban (20. ábra).

1,117MHz frekvencián különböző intenzitásszintek mellett liofilizált Saccharomyces cerevisiae élesztőgombát és az élesztőgomba átlagos sejtnagyságával megegyező nagyságú szemcsékből álló dolomitliszt szuszpenziót alkalmaztam modellanyagként, annak vizsgálatára, hogy meghatározzam, hol van a kavitációnak, illetve az állóhullámnak a határkoncentrációja.

A határkoncentráció az a koncentráció, ahol az egyik akusztikai jelenség a másikkal szemben küszöbszerűen dominanciára jut, vagyis esetemben a tranziens és a stabil kavitációból állóhullám, majd állóhullámból akusztikai áramlás alakul ki. A későbbiekben látjuk majd, hogy azért elengedhetetlenül fontos ennek a küszöbértéknek az ismerete, mert e nélkül nem lehet biztonságosan ultrahangos munkát végezni. A küszöbérték ismeretének hiányában csak vakrepülés az általunk végzett tevékenység. Az egyes akusztikai jelenségeknek ugyanis teljesen eltérő biológiai, fizikai és kémiai hatása van az anyagra.

A kísérleteket pohárszerű kialakítású alulról besugárzott akusztikai kamrában hajtottam végre (26. ábra), de bármilyen ultrahang berendezés esetén elvégezhető ez a vizsgálat. A továbbiakban ajánlanám ezt azoknak, akik sejtfeltárást, vagy roncsolást, ülepítést végeznek az ultrahang segítségével.

A kísérleteket alap és kiegészítő módszer szerint hajthatjuk végre, melynek az a lényege, hogy az alapvizsgálatnál egy adott folyadékmennyiséget helyezve a kezelőedénybe (26. ábra), majd az ultrahangot rákapcsolva, a kavitáció jelenségének a jelenléte mellett, addig szórjuk a modellszemcséket a hangtérbe, amíg a tranziens kavitációs zaj hallható. Ezután a maradék szemcsemennyiséget visszamérve, illetve a vizsgálatot többször megismételve, alakul ki az alapvizsgálat végeredménye, a fogyott anyagmennyiségre vonatkozóan, egy adott ultrahang teljesítményre. Vagyis innen kapjuk meg a diszpergáló közeg mennyiségének az ismeretében a kavitációs határkoncentrációt. A kiegészítő módszerrel pontosítható tovább a kapott eredmény, megközelítéses módszer segítségével.

 

 

20. Ábra: Kavitációs határkoncentráció alakulása az alkalmazott ultrahang teljesítmény függvényében, különböző modellanyagok esetén (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

Látható a 20. ábrán, hogy mindkét modellanyag esetében növekedett a kavitációs határkoncentráció az ultrahang teljesítmények növelésével.

Ezt az eredmény a gyakorlat számára lefordítva azt jeleni, hogy az egyre magasabb amplitúdókkal egyre magasabb koncentrációjú szuszpenziók, vagy valódi oldatok mellett vagyunk képesek kialakítani a kavitáció jelenségét. Tehát amennyiben például sejtfeltárást folytatunk és a sejtszuszpenzió koncentrációja a kavitáció jelenlétének megfelelő koncentrációhoz szükségeshez képest relatíve magasabb, abban az esetben növelnünk kell az ultrahang intenzitást ahhoz, hogy a célunkat a kavitáció segítségével elérjük. Ha az intenzitás további növelésére nincs mód, akkor a szuszpenziót fel kell hígítani, ugyanis a kavitáció kialakulásánál nem a hangtérben lévő anyagmennyiség számít, hanem kizárólag csak a koncentráció. A diszpergálószerrel történő hígítás azért is hatékony, mivel az általában sok kavitációs magot vihet magával az anyagba, amely láncreakciószerűen váltja ki a heves akusztikai jelenséget. Ez persze logikus megállapítás, azonban az alkalmazott gyakorlat, de még az alkalmazó tudományos világ számára sem teljesen egyértelmű a szakcikkek alapján, így egy trükk lehet a célirányos ultrahang felhasználás érdekében.

Ahhoz pedig, hogy a már az előzőekben oly sokat emlegetett roncsoló hatású tranziens kavitáció ultrahangtérbeli jelenlétéről minden kétséget kizáró bizonyítékot adjak közre, elegendő rápillantanunk egy frekvenciaanalizáló szoftver 21. ábrán látható szonogramjára. A 21. ábrán kiválóan megfigyelhető a kavitációmentes háttérzaj és az erre szuperponálódó kavitációs + háttérzaj ábrája közötti különbség. A frekvenciaanalízist, a minden egészséges ember számára jól hallható 4-6kHz frekvenciatartományban végeztem el és jól látható a körben elhelyezkedő kiemelkedő oszlop a jobboldali 21.B. ábrán, mely a kavitációs zajkibocsátást mutatja. A kavitációs zaj a tranziens kavitáció sziszegéséből, pattogásából, illetve a stabil kavitáció alharmónikus kibocsátásából származik.

 

(A)            (B)

 

21. Ábra: A kavitáció által kibocsátott 5kHz körüli frekvenciatartományok szonogramjai, (Abszcissza: frekvencia (Hz), ordináta: intenzitás (mV). Balról háttérzaj, jobbról kavitációs + háttérzaj.) (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

2.4. Szonolumineszcencia

 

A következő nagyon izgalmas, még a kavitációval összefüggő, hazánkban is egyre több kutatót foglalkoztató akusztikai jelenség a szonolumineszcencia. A szonolumineszcencia jelensége fénykibocsátó üreg, vagy buborék jelenlétét jelenti az ultrahangtérben (22. ábra). Természetesen általában több ilyen üreg vagy buborék egyidejű jelenlétéről van szó a szonolumineszcencia említésekor és éppen a monobuborékos stabil rendszerek kialakítása igényli a legkomolyabb tervező tevékenységet. Látható a 22. ábrán, hogy a mechanikai erősítő oszlop alatt milyen intenzív kemolumineszcencia valósul meg ultrahang hatására luminollal. Azonban természetes módon bárki megtapasztalhatja tiszta csapvíz esetében is ezt a jelenséget egy sötétített laboratóriumban az ultrahang hatására, megfelelően magas akusztikai nyomásamplitúdók mellett.

Több próbálkozás történt tehát az egybuborékos rendszerek életre hívására, azonban a fizikai alapot tekintve mindig állóhullámbeli levitációt alkalmaznak. Két módszer terjedt el széles körben. Az egyiknél gömblombikban, álló gömbhullámokkal, a másiknál pedig egy álló hengerben, az előzetesen vázolt folyadékbeli 6. és 8. ábra szerinti levitátor elrendezésben történik a buborékok csapdázása a folyadékban, az állóhullám sebességi csomósíkjaiban, mivel a buborék könnyebb, mint a vivőközeg.

 

(A)(B)(C)

 

22. Ábra: A szonolumineszcencia megnyilvánulásai (A, kemilumineszcencia, B, szonolumineszcencia-berendezés, C, szonolumineszcencia levitáló stabil kavitációs buborék esetén, B berendezésben)

 

Magát a szonolumineszcencia jelenséget 1934 óta ismeri a tudományos világ, azonban létezésének igazi tudatosodása egy évtizeddel ezelőttre tehető. Ekkor dolgozták ki a fent említett gömblombikos és álló hengeres technikát, amely segítségével a fénykibocsátó üreg huzamos időn keresztül egy helyben csapdázható a térben (22.B. ábra).

A fénykibocsátás oka a korábban született, viszont a mai napig konvencionális magyarázat szerint az, hogy több ezer bar és 10-35000K hőmérséklet alakul ki a kavitációs buborékokban, ami miatt az üregben lévő atomok gerjesztődése okán foton kibocsátás történik. Ma az egyre gyorsabb filmfelvételi lehetőségek megjelenésével, egyre többen lézerelmélettel magyarázzák a jelenséget, mert kiderült, hogy a fénykibocsátás 10 pikoszekundumos sorozatokból tevődik össze. Az utóbbi években egyes mértékadó tudósok, a még feltáratlan anomáliák miatt, logikailag azt állítják, hogy az eddigi hőmérséklet és nyomásértékek alábecsültek és bizonyos új elméletek szerint a fénylő buborékban 15millió°C is kialakulhat, ami a földi napmodell lehet, melynek során magreakció által, a hélium hidrogénekre bomlik. Persze egy ilyen arra érdemes kijelentés után több, eltérő impaktfaktú cáfolat között mazsolázhatunk, de ez az invizíciónál is így volt, csak valamennyire határozottabban. Végső soron 10-35000K mellett is igen speciális kísérleteket végezhetünk, hosszútávon stabil akusztikai rendszerrel, ez pedig komoly fegyvertény.

 

2.5. Az ultrahang hőhatása, hipertermia

 

A következőkben tekintsük át az ultrahang minden felhasználó által ismert hőhatását! A hanghullámok minden anyagban frekvenciájuktól, a hullám típusától, a hőmérséklettől, illetve az anyag tulajdonságaitól függő mértékben adszorbeálódnak, a rezgési energia irreverzibilis hővé alakulása következtében.

Az ultrahang egyik legfantasztikusabb, hozzávetőleg két évtizedes aktív múltra visszatekintő megrendítő erejű kutatási témájának a hipertermiának az alapját ez a tény képezi. Az ultrahang hőhatása természetesen könnyen elegendő a biológiai struktúrák és a kémiai folyamatok befolyásolásához. Az adszorpció miatt az ultrahang intenzitása a távolsággal exponenciálisan csökken és az intenzitást a hangtér egy adott pontján, az alábbi [5]. egyenlettel fejezzük ki:

 

I = I₀ * e ^–2αx        [5]

 

ahol (I₀) [W/cm²] vagy [dB] a kiindulási, vagy kibocsátott intenzitás, (I) az aktuális intenzitás [W/cm²] vagy [dB], (α) az abszorpciós koefficiens [Np/cm=8,7dB/cm], (x) pedig az adott irányban megtett távolság [cm]. A hőképződés (q_v) [K/s] pedig a [6]. egyenlet szerint:

 

q_v = 2αI/C*m       [6]

 

ahol (C) a fajhő [kJ/gK], (m) a kezelt anyag tömege [g].

 

2.5.1. Az abszorpciós koefficiens

 

Az abszorpció, vagy elnyelődés mindig jellemez egy adott közeget, környezetet, struktúrát, ami meghatározza a terjedés paramétereit. Az abszorpciós koefficiens (α) nagysága leginkább a hullám típusától, a hangtér anyagi minőségétől és a frekvenciától függ. Az abszorpciós koefficiens tiszta folyadékok esetén a viszkózus (α_v) és a hő (α_h) abszorpcióból tevődik össze (α = α_v + α_h [dB/m]), emulziók esetében pedig  α_teljes=α_i+α_s+α_v+α_h [dB/m]. A képletben az (α_h) és az (α_v) már ismert tényezők, az (α_i) az emulzifikált anyag belső elnyelése (mono- és dipólus abszorpció), az (α_s) pedig a szórási elnyelés, vagyis az emulzió cseppeken kialakuló hangszóródás mértéke.

Magától értetődő módon az egyes anyagoknak, így az egyes szöveteknek is különbözik az abszorpciós koefficiense, amely mellett, ha azt is figyelembe vesszük, hogy az ultrahang irányítható, koncentrálható, akkor már érthető, hogy az arra fogékonyak miért jönnek ettől izgalomba. Ugyanis abban az esetben, ha például a kezelendő szövet előtt nagyobb abszorpciós koefficienssel rendelkező, vagy érzékenyebb szövetrész található, akkor több kisebb intenzitású különböző irányokból érkező linearizált, vagy koncentrált hangsugár alkalmazásával kivitelezhető a kívánt hatású kezelés a megcélzott területen (23. ábra).

 

 

23. Ábra: Célra irányított ultrahang hipertermia

 

         A 23. ábrán megfigyelhető, hogy a koncentrált ultrahang sugár segítségével akár az emberi test bármely pontján elhelyezkedő objektum megcélozható, ahol a hőmérsékletemelkedés hatására a fehérjék denaturációja következik be. A denaturálódott fehérjék pedig a test adott zónájából felszívódnak. A mai számítógépes szoftverek segítségével mód van arra, hogy az egyes hang útjába kerülő objektumok hangsugár törő, adszorpciós és szóró képességét kikalkulálják, abból a célból, hogy éppen a megfelelő mennyiségű energia érje el azt a pontot, ahol a kezelendő objektum található. Természetesen ez a számítógépes sugárútszámításra vonatkozó technika már nem teljesen „vakrepülés”, a nagy precizitású modellezőszoftverek kifejlesztése után, de egy újabb, sokkal biztosabb, a pillanatnyi változásokat állandóan követő és ezek alapján szabályozott, a tanulmányban többször említett technológia az MR-re (mágneses magrezonanciára) alapozott ultrahangsebészet. Itt a mágneses magrezonancia képet, mint egy három dimenzióban szkennelt, állandóan frissített emberi test képet kell elképzelni, amelyen a beavatkozást végző orvos bejelöli a denaturálandó testterületet és a koncentrált hangsugár tizedmilliméter pontossággal elvégzi a kezelést. Ezzel párhuzamosan az MR készülék folyamatosan követi a test hőmérsékletét és így a környező szövetek túlmelegedése nem következhet be. A túlmelegedés veszélyekor a berendezés átpozícionálhat, vagy változtathatja a hangsugár intenzitását.

 

2.6. Az ultrahang sejtbiológiai hatásai

 

Nézzük meg először, hogy milyen alapokon nyugszik az ultrahang sejtbiológiai hatásmechanizmusa! A mai napig, a legfelsőbb alkalmazói körökben is sok kérdés merül fel a témával kapcsolatban. Ebben a kérdésben, mivel a szűkebben vett kutatási területemről van szó, megpróbálok korrekt, szerteágazó és teljes mértékig autentikus választ adni, azonban figyelembe véve azt, hogy ne haladjam meg a más felhasználási módozatok iránt érdeklődők türelmi szintjét. Legáltalánosabban Miller et al. (1996) fogalmazták meg az ultrahang in vitro sejtbiológiai hatásait. Szerintük három alapvető elemből tevődik össze az ultrahang sejtbiológiai hatásmechanizmusa, melyek a termikus, a kémiai és a mechanikai mechanizmusok. Morton et al. (1982) szerint az ultrahangos besugárzás, a szuszpenziókban lévő sejtek líziséhez, széteséséhez, széttöredezéséhez vezet. Szoros összefüggést mutattak ki a szuszpendált sejtek roncsolódása és az összegzett kibocsátott alharmonikus energia közt, amelyről tudjuk, hogy az a stabil kavitációs buborékok jelenlétének az ismertetőjegye. Azt is kimutatta, hogy amikor elkezdődött az alharmonikus kibocsátás, akkor kezdtek pusztulni a sejtek, ami megkérdőjelezhetetlen bizonyíték. A sejtek életerejének felbecsülésére vitális festést alkalmazott trypon kékkel, hasonlóan a mi általunk alkalmazott metilénkékes vitális festési eljáráshoz. Harwey et al. (1975) kimutatták, 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. Miller et al. (1995) ultrahangsugárzás hatásaként DNS fonal töredezéséről, Macintosh és Davey (1970) kromoszóma széttöredezésről, Barnett et al. (1988) kromatída aberrációról, Kaufman (1985) mutagén hatásról, Dooley et al. (1984) a sejtek makromolekula szintézisének megváltozásáról számolt be. Fu et al. (1980) vizsgálták a sejtek ultrahangkezelés hatására kialakuló telepképzési erélyváltozását, amellyel kapcsolatban megállapítják, hogy ez a tulajdonság már 1W/cm² intenzitású ultrahang besugárzás hatására is megváltozik. Thacker (1973) a haploid és diploid pékélesztő (Saccharomyces cerevisiae) sejtek ultrahang besugárzással kapcsolatos túlélését vizsgálta. Tapasztalatai alapján nem szinkronizált populációk vizsgálatát javasolja, az eltérő fejlődési stádiumban lévő sejtek eltérő kavitációs érzékenysége miatt. A vizsgálataiból kapott túlélési görbék, ezáltal nem egy, hanem több fázisúak voltak. Emiatt az eredményei eltérést mutattak a szokványos exponenciális túlélési görbétől, habár a kavitációs határon dolgozó kutatók a pusztulási dinamikát az egyszerűség kedvéért állandó exponenciális lefutásúra veszik. Thacker (1974) egy évvel később négy genetikai rendszerhez tartozó élesztő sejteket vizsgált, az ultrahang mutagén hatásának tekintetében. A mitokondriális DNS-ben legtöbbször mutáció történt a kavitáció hatására. A mutagén hatás gyakorisága pedig növekedett a hőmérséklet emelkedésével.

 

2.6.1. A beugárzás hatására keletkező szonokemikáliák sejtbiológiai hatásai

 

Fontos megjegyezni, hogy nem csak a szonokémia, hanem az ultrahang sejtbiológiai hatásainak jelentős része is függ a besugárzás hatására kialakuló szonokemikáliáktól, melynek legáltalánosabb megnyilvánulási formája az ultrahang sugárzás hatására kialakuló hidrogén-peroxid (H₂O₂)és a (H⁺+OH^-) ionok, vagyis a vízbontás folyománya. Hughes (1961) élesztő sejteket tárt fel akusztikai kavitáció segítségével és arra a megállapításra jutott, hogy a kavitáció során szabadgyökök keletkeznek, és azok hozzájárulnak a kavitáció mechanikai roncsoló hatása által kiváltott sejtpusztuláshoz. Miller et al. (1991) és Riesz és Kondo (1992) szerint a tranziens kavitáció folyamán képződő szabad gyökök, valamint egyéb szonokémiai termékek, így például a szonokémiai hidrogén-peroxid jól detektálható, in vitro ultrahang besugárzást követően, ami hozzájárul a sejtek DNS károsodásához is. A polimereket (DNS) összekötő hidrogén hidakkal reakcióba lép a vízbontás hatására kialakult szabadgyök, az (OH^-) ion, emiatt az ultrahang mutagén hatása kerül előtérbe. Miller és Thomas (1994) szintén kimutatták, hogy a hidrogén-peroxid és egyéb szonokemikáliák, megfelelő koncentrációban történő termelődése biokémiai változásokat eredményeznek az élő sejtekben, illetve ehhez a hatáshoz adódik még hozzá a kavitáció által okozott direkt mechanikai sejtkárosító hatás is. Prise et al. (1989) szerint a sejtpusztuláshoz szükséges hidrogén-peroxid koncentráció 1mM. Miller és Thomas (1993) hidrogén-peroxid termelődését és hemolízis megindulását írták le ugyanazzal a küszöbbel, ahogy a tranziens kavitáció megindult. A kavitáció következtében a besugárzás 1. perceiben, közel 100%-os sejt lízis (feloldódás) következett be, viszont a hidrogén-peroxid koncentráció a besugárzás 30. percében mindössze 10mM volt, ami az előzőek alapján szintén a mechanikai hatás dominanciáját húzza alá és nem a képződött hidrogén-peroxid pusztító erejét.

 

2.6.3. Specifikus sejtbiológiai hatások

 

Nem szakemberek számára most biztosan elborzasztó tudományos eredmények ismertetése következik. Azonban felhívom a figyelmet, hogy a specifikus sejtbiológiai hatások jelen tárgyalásánál, elsősorban az aktív ultrahang által kiváltott folyamatokra mutatok rá. Ezt jelen esetben azzal a hasonlattal tudnám megvilágítani, hogy amíg a passzív ultrahang olyan, mint egy lenge szélfuvallat, addig az aktív olyan, mint egy tomboló orkán. Kim et al. (1971) és Schnitzler (1973) kromatídák széttöredezéséről számoltak be, a stabil kavitáció következtében sejtszuszpenziókban. A töredezés a mitózisos osztódás anafázisban volt a legerőteljesebb, illetve a centromérák erőteljes töredezésére is felhívták a figyelmet. Azt állítják, hogy az oszcilláló stabil kavitációs buborékok által kiváltott mikroáramlások okozzák a kromoszóma aberrációt az ultrahanggal kezelt sejteknél. Hughes és Nyborg (1962) vizsgálták az Escherichia coli baktériumok ultrahang általi pusztulását, és ők is azt tapasztalták, hogy nem csak a tranziens, hanem a sokat vitatott hatású stabil kavitáció esetében is megtörtént a sejtek pusztulása, így ez alapján ők is azt állítják, hogy a tranziens, összeomló típusú kavitáció nem elengedhetetlen a sejtek széttöredezéséhez. Kaufman et al. (1977) bebizonyította, hogy a szuszpendált sejtek ultrahangos besugárzása a sejtek líziséhez, vagyis széteséséhez, feloldódásához, illetve a sejtek teljes széttöredezéséhez vezet, aminek fő kiváltója a kavitáció. A lízis közvetlen, azonnal jelentkező következménye az ultrahangsugárzásnak, nem egy később expresszálódó hatás. ter Haar et al. (1980) és Li et al. (1977^a) szerint, az ultrahangnak alávetett sejtek esetében, amelyeknél hőmérsékletnövekedés következik be, és amely sejtek nem pusztulnak el a mechanikai sérüléseik miatt rögtön, szaporodóképesség vesztés léphet fel.

 

2.6.4. Az ultrahang biológiai membránokra gyakorolt hatásai

 

Nem kell hangsúlyozni a membrántranszport folyamatok fontosságát. Több évtizede külön membrántranszport szekciója van a Magyar Biofizikai Társaságnak, önálló tudományterület, különálló konferenciákkal, folyóiratokkal, tudományos eredményekkel, intézetekkel. Emiatt természetesen a teljesség igénye nélkül, mindössze érintőlegesen próbálom felhívni a figyelmet, az ultrahang transzportfolyamatokat befolyásoló hatására. Az ultrahang akkor befolyásolja a membrántranszport folyamatokat, ha nem a legdrasztikusabb sejtroncsoló hatásról, hanem a besugárzást túlélt, elszenvedett sejtekről beszélünk. Dinno et al. (1989) szerint az ultrahang besugárzás megváltoztatja a sejtmembrán permeabilitását, transzport aktivitását. A sejt elektromos paraméterei módosulnak, a teljes ionvezetés növekszik. Chapman (1974) kimutatta, hogy az ultrahang képes szubletális változásokat indukálni a plazmamembránban, például a kálium anyagforgalom besugárzást követő azonnali csökkenésével. Dyson (1985) azt állítja, hogy a sejtmembrán K-Na ionokra permeabilitás változást szenved ultrahang besugárzásra és a mitokondrium membrán a legérzékenyebb a kezelésre. Dinno et al. (1993) szerint az 1MHz frekvenciájú ultrahang besugárzás hatására, a membrán permeabilitás változás a kavitáció mechanikai hatásának eredménye, mivel a kavitációval képződő szabadgyököket, gyökfogó anyagokkal, mint például ciszteinnel megkötötte a kísérlet folyamán és a hatás így is érvényesült. Watmough et al. (1977) bebizonyították, hogy az intracelluláris kavitációs mikrobuborékok a sejtmag, a mitokondrium és a granuláris endoplazmatikus retikulum membránjának kavitációs magjaiból fognak kinövekedni, és ez a jelenség, azok roncsolódásához vezet. ter Haar et al. (1979) szerint a sejtmag membránján ultrahangos besugárzás után elektronmikroszkóposan kimutatható apró, repedés-szerű elváltozások keletkeznek, ami az előző elméletet támasztja alá. Inoue et al. (1989) szerint amennyiben a sejtben egy gáz mag (kavitációs mag) található, az ultrahang hatására akusztikailag aktiválódva (gas body activation) kitágul és szétrepesztheti a sejtet. Ekkor a buboréknak még össze sem kell omlania a sejtek károsításához. Ha viszont egy buborék a sejtben tranziens összeomláson megy keresztül, az mechanikailag és a képződött szonokemikáliák hatására biokémiailag is károsíthatja a sejtet intracellulárisan. Alliger (1975) kimutatta, hogy rövid időtartamú in vitro ultrahang besugárzás hatására a citoplazma membrán leválhat a sejtfalról. Mérései szerint, az eltérő formájú mikroorganizmus fajok eltérő érzékenységgel rendelkeznek az ultrahangkezelésre, például a kokkusz fajok ellenállóbbak, mint a pálcika alakúak.

 

2.6.5. Alkalmazott ultrahang fizikai alapjai

 

Az ultrahang gyakorlati alkalmazására lehet példa, hogy Rubleson et al. (1975) szerint a mikroorganizmusok ultrahangos szétroncsolása, a tej pasztőrözésének tekintetében, a konvencionális, tradicionális sterilizálási és pasztőrözési eljárások kiegészítéseként kerülhet szóba. A baktériumok kizárólag ultrahangos elpusztítása nehézkes, de az ultrahang fel tudja erősíteni a konvencionális hőkezelés hatását, amely folyamat így felgyorsul, mivel a baktérium plakkok a besugárzás hatására diszpergálódnak, így javul a denaturálandó anyagok felé irányuló hőtranszport. Ordonez et al. (1984) hőkezeléssel kombinálta az ultrahang besugárzást, és azt állapította meg, hogy a baktérium sejtek érzékenyebbek a hőkezelésre, ha ultrahangnak is ki vannak téve. Hurst et al. (1995) javasolja a hőkezelés ultrahangkezeléssel való szimultán alkalmazás elnevezésének a termoultraszonikáció kifejezést. Megállapította, hogy a termoultraszonikáció eredményesebben alkalmazható a sejtek elpusztítására, mint a hő vagy az ultrahang kezelés önálló alkalmazása.

 

2.6.6. Az ultrahang sejtbiológiai hatásait befolyásoló fizikai tényezők

 

Az ultrahang sejtbiológiai hatásainak fizikai befolyásoló tényezői közül a legfontosabbakat az alábbiakban próbáltam rendszerezni. Számos fizikai, kémiai és biológiai befolyásoló tényező hat a hangtérben, amelyeknek eredője a sejtbiológiai hatás. Fontos e helyen leszögezni azt, hogy amennyiben a hangtér fizikai paraméterei megváltoznak, az a biológiai hatásokat kiváltó akusztikai jelenségeket alapvetően befolyásolhatja, melyek eredménye egy teljesen eltérő biológiai hatás lehet. Aki ezeket a tényezőket nem ismeri, vagy nem tudja befolyásolni (2.3.1. fejezet) és stabilizálni az érdekes és nem mindig szívderítő tapasztalatokra tehet szert, az ultrahanggal kapcsolatban. Brayman et al. (1994) szerint a nagyobb átmérőjű sejtek kavitációra vonatkozó nagyobb érzékenysége annak eredménye, hogy a nagyobb sejtek nagyobb valószínűséggel találkoznak a kavitációs buborékokkal. Blackshear és Blackshear (1987) a hemolízissel kapcsolatosan megfigyelték, ahogy a sejtméret csökkent, úgy sokkal nagyobb nyíróerő volt szükséges a sejtmembrán szétszakításához, mely tény is szerepet játszik az egyes sejtek közötti eltérő ultrahang érzékenységben. Veress és Vincze (1977), Loverock és ter Haar (1991) kimutatták a sejtkoncentráció fontosságát az in vitro szonolízisre. Ellwart et al. (1988) növekedő vörös vértest számmal relatíve csökkenő mértékű sejt hemolízist figyeltek meg. Nyborg et al. (1974) elméletileg és gyakorlatilag is bebizonyították, hogy a buborékok hidrodinamikai okokból vonzzák, rozettaszerűen összegyűjtik a szuszpendált sejteket. Brayman és Miller (1993) azt tapasztalták, hogy a buborékaktivitás elfojtódott a buborékok körüli sejtcsoportosulás, vagyis rozettaképződés miatt, így megszűnt a kavitáció. Ezen túl a sejtek élettevékenységük, respirációjuk során felhasználják a potenciális kavitációs magnak minősülő oldott oxigént, így növekedik a kavitációs küszöb. A respiráció gátlásával az ultrahang kavitációs aktivitása nem csökkent. Carstensen et al. (1993) azt tapasztalta, hogy a sejtroncsolás mértéke erőteljesen csökkent a közeg viszkozitásának növekedésével. A viszkozitás hatással van a kavitáció nyíróerejére, buborékvándorlási aktivitásra és a tranziens kavitáció dinamikájára is. Szarvasmarha eritrociták hemolízise fordított arányban függött össze a sejt koncentrációval, amíg 0,5% erős hemolízist mutatott, addig 5% koncentrációnál egyáltalán nem volt szonolízis. Kondo et al. (1988) kimutatta, hogy a közegben oldott gázok típusa és mennyisége befolyásolja a kavitáció sejtkárosító hatásának mértékét. Li et al. (1977^b) és Raso et al. (1994) szerint a besugárzási hőmérséklet befolyásolja a sejtek ultrahang érzékenységét. A termoultraszonikáció szignifikánsan kisebb „D” értékeket ad, mint az önálló hő-, vagy ultrahangkezelés. Petin et al. (1999) az ultrahangnak hipertermiával kombinált hatását tanulmányozták Saccharomyces cerevisiae diploid sejtjeinek inaktiválásával kapcsolatban, amelyre matematikai modellt is alkottak. Meghatározták azt a hőmérséklet tartományt, ahol az élesztőre a két kezelés szinergista sejtroncsoló hatása érvényesül. Lillard (1993) kimutatta, hogy az ultrahang sejtroncsolási hatékonysága nő a klorid vegyületekkel való szimultán sugárzásalkalmazással. Lee et al. (1989) azt tapasztalta, hogy azonos mikroorganizmusok ultrahang rezisztenciája különböző élelmiszerekben eltérő. Az élelmiszerek magas zsírtartalma csökkenti az ultrahang citolítikus hatását, így fontos a közeg ultrahang abszorpciós, reflexiós, diszperziós képessége. Ahmed és Russel (1975) azt tapasztalták, hogy a Gram (+) sejtek ellenállóbbak az ultrahangra, mint a Gram (-) sejtek. Azért lehet így, mert a Gram (+) sejtek sejtfala vastagabb, mint a Gram (-) sejteké, mivel vastag peptidoglikán rétegeket tartalmaz. Feindt (1951) megfigyelései szerint a fiatalabb sejtek érzékenyebbek az ultrahang hatására, mint az idősebbek. Ez szintén a protoplazma vastagsága közötti különbségből adódik. Sanz et al. (1985) kimutatta, hogy a spóraformák sokkal rezisztensebbek az ultrahangkezelésre, mint a vegetatív baktériumok. Petin et al. (1980) tapasztalatai szerint, szimultán ultrahang - ionizáló sugárzás kezelések szinergista hatása érvényesül a stacioner fázisú Saccharomyces cerevisiae élesztőre. Ciccolini et al. (1997) alacsony frekvenciájú termoultraszonikáció hatását tanulmányozták Saccharomyces cerevisiae élesztőgombára, és azt állapították meg, hogy a magasabb hőmérsékleten csökken a rezisztencia.

 

2.6.7. Az ultrahangsugárzás hatásának bemutatása

 

A 24. ábra egy in vitro ultrahangbesugárzás hatását mutatja Saccharomyces cerevisiae élesztőgombára.

 

(A) (B)

 

24. Ábra: Élesztőgomba vitalitás változása (A. Kiindulási állapot, B. 210 másodperces kezelés utáni állapot (Forrás: Lőrincz, A., 2002))

 

Az ábrákon metilénkék vitális festés segítségével végzett élősejtszám meghatározás eredménye látható. A kezeléseket 1117kHz (1,117MHz) frekvencián 9W/cm² teljesítmény mellett 20°C-on végeztük 20ml 5,37*10⁷/ml szuszpenzió koncentráció mellett a 25. ábrán látható ultrahangrendszer és a 26. ábrán látható kezelőedény segítségével. A rendszert teljes egészében mi terveztük és készítettük. Segítségével mérhető a hangsebesség, az abszorpciós koefficiens folyamatosan, akár átfolyó rendszerben is, illetve a passzív mérésekkel párhuzamosan aktív ultrahang besugárzás is történhet. Így folyamatosan elemezhetővé válik az aktív ultrahang hatása a kezelt, például biológiai anyagokra. A műszerrel egyedülállóan vizsgálhatóak az egyes akusztikai jelenségek fizikai és biofizikai hatásai.

 

 

25. Ábra: Az ultrahang rendszer (vezérlő és adatfeldolgozó computer, ultrahang erősítő, frekvenciagenerátor, kezelőedények (Forrás: Lőrincz, A., 2003))

 

 

26. Ábra: Ultrahang kezelőedény (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

A metilénkékkel végzett vitális festés esetén a kék sejt pusztultnak tekinthető, mivel dehidrogenázokkal való reakciója folytán a festék az élő sejtekben színtelenné válik. Látható, hogy a 210. percben az adott mikroszkóp látótér alatti sejtek 100%-a pusztultnak vehető, illetve nagy részükön világos foltok találhatóak, melyek a leszakadt sarjadzó sejtek, illetve a sejtfal kiszakadások nyomai. A további kezelés az élesztőgomba sejtekből protoplazmacseppeket, majd sejttörmeléket alakít ki.

 

3. Az ultrahang előállítása

 

Az ultrahangot rezgéskeltőkkel állítjuk elő. Ezek közül legáltalánosabb berendezésekként az elektromechanikus (elektromágneses, elektrodinamikus, magnetosztrikciós, piezoelektromos), aerodinamikus, hidrodinamikus és mechanikus átalakítókat ismerjük. Legelterjedtebbek az elektromechanikus átalakítók. Ezek fő részei a generátor, amely a szükséges frekvenciájú váltakozó elektromos áramot termeli, illetve a sugárzó-, amely a generátortól kapott elektromos energiát mechanikai rezgéssé alakítja át, és azt a vele érintkező közegnek átadja. Az ólom (P)- cirkonát (Z)- titanát (T) (PZT) sugárzók a nagyteljesítményű sugárzókban a legelterjedtebb mesterséges piezoelektrikumok. A piezoelektromos sugárzó piezoelektromos tulajdonságú elemből (1), elektródából, vagyis vákuumgőzöléssel felvitt fém fegyverzetekből (2), és tartókból (3) áll (27. ábra).

 

27. Ábra: Egytagú piezoelektromos sugárzó oldalnézete

 

Működésük a piezoelektromos jelenségen alapul, frekvenciatartományuk a geometriájuk alapján a teljes ultrahang tartományt felöleli. Jacques és Pierre Curie 1880-ban felfedezték, hogy bizonyos anyagok poláris tengelyű egykristályai tengely irányban összenyomva elektrosztatikusan feltöltődnek, mivel az egymással szemben lévő kristályfelületek töltése eltérő előjelű. 1881-ben Hankel nevezte el ezt a jelenséget piezoelektromosságnak a szervetlen anyagokra. Ha piezoelektromos tulajdonságú anyagok felületére váltakozó feszültséget vezetünk, akkor mechanikai rezgésbe jönnek, amit negatív piezoelektromos hatásnak nevezünk. Fordított esetben pozitív piezoelektromos hatásról van szó, ha a piezoelektromos tulajdonságú anyag a felületére adott mechanikai erőre elektromos feszültség ébredéssel reagál (28. ábra). A jelenség fizikai magyarázata, hogy például a kvarc Si- és O-atomjai egy szabályos hatszög csúcsaiban helyezkednek el. Ha a rendszert úgy nyomjuk össze, hogy két szemközti sarkon elhelyezkedő Si- és O-atom közelebb kerül egymáshoz, az
előbbi helyen az O-atomok negatív töltése, az utóbbi helyen a Si-atomok pozitív töltése jelentkezik.

 

28. Ábra: A piezoelektromos kristályrács (a) és a pozitív (b), valamint a negatív (c) piezoelektromos hatás sémája.

 

         A mesterséges piezoelektrikumok piezoelektromos tulajdonsága akár több, mint 50-szer nagyobb, mint a természetes kvarcé, de a hőmérséklet növekedésével a piezoelektromos tulajdonságuk csökken, majd a Curie-ponton depolarizálódnak. A mesterséges piezoelektrikumokból (PZT, Bárium-titanát) bármilyen alakú sugárzó kialakítható. Ilyen mesterséges piezoelektrikumok találhatóak az általunk alkalmazott speciálisan tervezett Langevin és „szendvics” transzdúcerekben illetve az ultrahangos fürdőkben, valamint az élet bármely területén, így például a titntasugaras nyomtatóktól az öngyújtókig.

A hagyományos PZT piezoelemek az anyagi specifikációjuk szerint, a PZT jelölés utáni számozásból azonosíthatóak. Általában ipari és laboratóriumi céllal a PZT4 kerámiákat építjük be és alkalmazzuk az aktív ultrahang előállítására. A felhasználási céltól függően legalább 1-8-ig változik a számozás, illetve az egyes anyagok módosulatainak megfelelően a számozás után még további betűjelzések is találhatóak (PZT4D). A számozások más piezoelektromos konstanst, dielektromos állandót, elektromos tulajdonságokat, pl. impedanciát, konverziós faktort, stb. takarnak.

A piezoelektromos elemeket a frekvenciájuknak megfelelő geometriával gyártják. Kialakításuk szerint legnépszerűbbek a kör és négyszögletes lapok, de gyakran találkozni a gyűrű, cső, félgömb, gömb, és egészen speciális kialakítású felületekkel is.

 

3.1. Az ultrahangtér modellezése

 

Ma természetesen az adott célnak megfelelő transzdúcerek és a rezgőtestek tervezésére és az ultrahangtér modellezésre speciális akusztikai szoftverek állnak már rendelkezésre. Ilyen modellező és szimulátor szoftverek az ATILA, a WAVE2000, a WAVE2000Pro, az RFBEAM, a K-SPACE, a MATLAB program „SIMULINK” toolboxa alatt futó ULTRASIM, stb. Általában ezek véges elemes programok, melyekben beállítható a sugárzó, a transzdúcer geometriája, anyagi, elektromos paraméterei, a hullámmód, a frekvencia, a hangtér összes paramétere és ebből a megadott számú pontban kalkulálják a hullámok terjedését, az elmozdulást, az akusztikai nyomás amplitúdót, stb. Vannak közöttük programozható és menüvezérelt szoftverek is, de a legtöbb a hibrid megoldást támogatja, vagyis előre programozott anyagtulajdonságokat és akusztikai függvényeket tartalmaznak, melyeket ki lehet egészíteni, vagy át lehet írni (ULTRASIM, WAVE2000).

 

3.2. Az aktív ultrahangberendezések általános felépítése

 

         A modern ultrahang-berendezések aktív elemei tehát legtöbbször ólom – cirkonát – titanát (PZT) kerámiák. Természetesen rendeltetésüknél fogva ezeknek eltérő a rezonancia és működési frekvenciája, a teljesítménye és a kialakítása. Általánosságban elmondható, hogy ahol magas felületegységre eső teljesítményre (nagy amplitúdók, nagy terhelések) van szükség, ott az elektronikai erősítésen kívül mechanikai erősítést is igénybe veszünk (17. ábra).

A múlt század közepétől ismertek az úgynevezett szendvics, vagy Langevin transzdúcerek (29. ábra). Ezek lényege, hogy az általában párosával alkalmazott piezokerámiák a tranaszdúcer (rezonátor) középső részén találhatóak és a kerámiák előtt és mögött, a funkciónak megfelelően tervezett kialakítású, méretű és anyagú fém elemeket tartalmaznak, melyeket igen nagymértékben ráfeszítenek ezekre a kerámiákra, azaz előfeszítenek egy csap segítségével. Az előfeszítés által a transzdúcereknek csökken az elektromos impedanciájuk és a rezonanciafrekvenciájuk.

 

(A)   (B)

 

29. Ábra: Konvencionális transzdúcer sémák (A, Langevin, B, szendvics-típusú)

 

A Langevin sugárzókat legtöbbször nagy ultrahang teljesítményt igénylő zsírtalanításra, fémtisztításra, nagyteljesítményű tisztító- és pácoló kádak meghajtására a mai napig is sikeresen alkalmazzák. Ezeket a berendezéseket gyártjuk mi is leggyakrabban, kádszerű és bármilyen speciális igénynek megfelelő kivitelben.

 

3.3. Napjaink innovatív rezgéskeltői

 

         1972-ben fedezték fel, hogy néhány polimer piezoelektromos tulajdonsággal rendelkezik. Napjaink legújabb rezgéskeltői a PVDF anyagok, amik bármilyen felületre felvihetőek, mintegy paszta-, vagy fóliaszerűen és ott rezgéseket indukálhatunk velük. A PVDF anyagok Poli(vinilidén-fluorid) és Poli(vinil-fluorid) (-CH₂-CF₂-) lineáris szerkezetű szemikristályos anyagok (polimerek), melyek 200°C körül megmunkálhatók. A PVDF fóliák vastagsága néhány tized (0,2-0,3) milliméter általában és főleg az érzékeléstechnikában alkalmazzák tapintás és hőérzékelési szenzorként, mivel az érzékenysége az emberi bőrhöz hasonló. UV sugárzásnak, ionizáló gammasugárzásnak kiválóan ellenállnak és szerves oldószerekben jól oldódnak a PVDF anyagok, emiatt könnyen felhordhatók a felületekre. A PVDF anyagok alkalmazási területe lehet például a technikai berendezések burkolata, napcellák borítója, atomerőművekben alkalmazott alkatrészek csomagolóanyaga, élelmiszeripari bevonó burkoló anyagok, kábelszigetelők, ultra és mikro-szűrők, szenzorok, illetve extrém esetben a csontok felületi borítása, stb.

Megjelentek a piacon az úgynevezett kompozit transzdúcerek, melyek sok egymás mellé helyezett apró, polimerbe ágyazott PZT elemből állnak. Mindkét új típusú anyag és elrendezés (PVDF, kompozit) egyelőre leginkább csak a passzív ultrahangos érzékeléstechnológiákban (szenzorok) alkalmazott. Azonban várható, hogy egyes alkalmazásokra (a kompozitok, melyek régi-új eljárásnak számítanak, mivel az 1900-as évek első felében már voltak erre próbálkozások, csak az automatizálhatóság alacsonyabb foka miatt „elfelejtődtek”) az ultrahangtechnikában az új típusú anyagok betörnek az aktív felhasználásokhoz is.

A kompozitról érdemes annyit megemlíteni, hogy a sok egymás mellé helyezett külön-külön szabályozható piezoelem egy egységes sugárzófelületként fogható fel (30. ábra).

 

   

 

30. Ábra: Kompozit kerámia

 

Emiatt a mindenki által jól ismert sugárzás közbeni interferenciajelenségek (2.1.3. fejezet, 5. ábra), abból is a térbeli gyengítések a kompozitokkal kiküszöbölhetőekké válnak, illetve járulékos fizikai elemek, mint például erősítő oszlopok, vagy parabolakoncentráló elemek, stb. nélkül megoldható velük a hangsugár egy pontban történő egyesítése és irányítása is. A kompozit kerámiákban a piezoelemek közé tehát polimer anyagokat (műanyagokat) töltenek, melyek elektronikailag szigetelik egymástól az egyes elemeket.

Ma már egyes világcégek jelentkeztek az úgynevezett „poreless” pórusmentes PZT kerámiákkal, melyeknek általában a legtöbb előzőekben említett tulajdonsága 30-50%-al jobb, mint a hagyományos PZT kerámiáké. Természetesen áruk egyelőre a hatásfok-növekményük többszöröse, azonban ennek ellenére bizonyos speciális alkalmazásokra, pl. szonártechnikában, - ahol így is a tervezési és kivitelezési költségek töredéke az aktív elem ára – szívesen alkalmazzák.

 

3.4. Sejtroncsolók

 

         Konkrétumra fordítva az eddigieket, nézzük meg milyen fő elemekből állnak az ultrahangrendszerek! A laboratóriumi sejtroncsoló berendezéseink általában frekvenciagenerátorból, elektromos erősítőből, összekötő kábelből, szendvics típusú transzdúcerből, mechanikai erősítőből és titán hegyből állnak (16. ábra). A mechanikai erősítő feladata, hogy az elektromos erősítő által a piezoelemekhez juttatott intenzitás hatására a transzdúcerben kialakuló amplitúdót, azaz az egy kontrakcióra, vagy depresszióra jutó utat tovább növelje, tehát egyre nagyobb felületegységre jutó intenzitások alakuljanak ki általa. Persze ennek ára van, mégpedig az, hogy egyre kisebb aktív felülettel fogunk rendelkezni, az egyre nagyobb amplitúdók mellett. Ebből a célból három legnépszerűbb mechanikai erősítő rúd terjedt el. Az egyik a „stepped horn” vagyis a lépcsőzetes, a másik az exponenciális, a harmadik a trapéz alakú, vagy egyenes erősítő rúd (17. ábra). Mindhárom kialakítás különböző fizikai alapokon nyugszik. Azonban elmondható, hogy határa van bármelyikkel való erősítésnek, illetve az anyagban kialakuló hullámhosszt, rezonanciafrekvenciát, multiplikációs faktort, valamint a közegek közötti akusztikai keménység eltérést mindenképpen figyelembe kell venni a tervezésnél, de még a felhasználásnál is!

 

3.4.1. Nagy teljesítményű ultrahangrendszerek hazai gyártása

 

         Az ultrahangos gáztalanító és tisztító berendezések frekvenciagenerátorból, erősítőből, tisztítókádból, illetve piezoelemekből állnak (31. ábra).

 

31. Ábra: Az ultrahangos tisztítókád általános sémája

 

Az ultrahangos kádak, jellegüknél fogva az előző berendezéseknél sokkal igénytelenebbek, egyszerűbbek, azonban néha a speciális igényeknek megfelelő tervezés kapcsán, hosszútávon sokkal hatékonyabbak, megbízhatóbbak, mint a bonyolult kialakítású erősítő rudakkal felszerelt laboratóriumi sejtroncsoló társaik. A fűtésre általában például a zsírtalanításhoz azért van egyrészt szükség, hogy a speciális oldószerek könnyebben ki tudják fejteni hatásukat, másrészt, hogy könnyen emulgeálódjon a zsír. A tisztítás úgy történik, hogy a feltapadt zsírt a fémfelületen a kavitációs buborékok megkezdik, majd hozzáférést engednek az oldószereknek, ezután a zsírokat emulzióban tartják, megóvva a fémet a zsír visszatapadásától.

 

3.5. Ultrahangrendszerek beszerzésével kapcsolatos következtetések

 

Természetesen a szériaberendezéseket a saját szintjükön kell kezelnünk. Azt értem ezalatt, hogy egy katalógusból a céljainkhoz leginkább társítható berendezés kiválasztására van „csak” módunk, azonban a számunkra 100%-ban szükséges kiválasztására gyakorta (szinte soha) nincs. Persze könnyű magyarázat erre, hogy nem lehet mindenki kedvéért más berendezést tervezni és gyártani, vagy hogyha mégis ez az igény, akkor a tisztelt vásárló jobb, ha mélyen a zsebébe nyúl. Örömmel jelenthetem, hogy ez nálunk nem így működik! Mivel nem túlságosan nagy hazánkban az aktív ultrahang piac, ezért nem jelent problémát számunkra az egyéni igények kielégítése sem, illetve ez legtöbbször nem költségnövelő tényező. Például, ha kizárólag gáztalanításról van szó, természetesen elegendő egy kis teljesítményű laboratóriumi fűtetlen ultrahangkád, amely szinte minden laboreszköz kereskedelmi cég kínálatában szerepel.

Ha viszont komolyabb feladatra, például fémek tisztítását, emulgeálást, zsírtalanítást szeretnénk végezni, célszerű magasabb felületegységre eső teljesítményű ipari fűthető berendezést vásárolni, speciális kavitátor tisztítószerekkel együtt. Azonban a nagyobb teljesítményű berendezések esetén már érdemes elgondolkodni a kommersz ipari berendezések helyett a célokhoz leginkább alkalmazható eszközök gyártatásáról.

Véleményünk szerint, a kommersz és a célra tervezett „ipari” ultrahang berendezések alkalmazásának határa hazánkban a nagykonyhai, preparatív laboratóriumi, vagy a kisüzemi méret, amelytől felfelé jelentős pénzügyi megtakarításokat eredményezhet a specifikus alkalmazáshoz igazított tervezés és kivitelezés. Sok esetben fordulnak elő hatékonyságbeli problémák, a célokhoz képest alul- vagy túlméretezett kommersz berendezések következtében, melyek nem csak pénzügyileg, de a kezelt anyagra nézve minőségileg is igen károsak.

Emiatt azt tanácsolom, hogy főleg komolyabb berendezések vásárlásánál érdemes specialista véleményét kikérni. Amennyiben speciális méretű, kialakítású vagy teljesítményű ipari és laboratóriumi ultrahangos gépek, berendezések beszerzéséről, kialakításáról van szó, akkor ma már érdemes velünk, a hazai ultrahang berendezésgyártókkal konzultálni és együttműködni, mivel a világpiacon található ipari széria berendezéseknél, a céljainknak sokkal megfelelőbb, ugyanolyan megbízható, garanciális, jóval kedvezőbb árfekvésű berendezések gyárthatóak már itthon is.

 

 

 

4. Az ultrahang alkalmazásai

4.1. Passzív ultrahang

 

A passzív felhasználási lehetőségek főleg az anyagvizsgálatokra, a fémekben, sőt a kemény sajtokban és egyéb anyagokban lévő törések, repedések, anyaghibák kimutatására, kőzetüregek, barlangok felkutatására, olajipari alkalmazásokra, geológiai kőzet- és talajréteg analízisre, orvosi képalkotó eljárásokra, napjainkban a szabadidős tevékenységek területén a halfalkák felkutatására, hajózásban a szonártehnológiára koncentrálódnak. A mezőgazdaság és élelmiszeripar is nagy sikerrel alkalmazza a vágóállatok minősítésére (EUROP), mely komoly szelekciós lehetőséget jelent már a vágás előtt. Nem hétköznapi alkalmazás, de például az ultrahangot mikroszkópként is alkalmazzák.

Ezen kívül egyre több cég jelenik meg a hazai piacon az ultrahangos áramlásmérőkkel, vagy tartálybeli folyadékszintmérőkkel, melyekkel a folyamatirányításba is belépett az ultrahang (32. ábra). A felhasználások jórészt az ultrahangsebesség mérésén alapulnak, különböző befolyásoltságok figyelembe vételével.

 

(A)       (B)

 

32. Ábra: Ultrahang a folyamatirányításban (A, áramlásmérő, B, szintmérő)

A 32.A. ábrán adó-vevő elven működő áramlásmérő sematikus ábráját tüntettem fel. Ebben az esetben a csövön lévő mindkét transzdúcer először kibocsát egy rövid impulzust, majd vevő üzemmódban méri a szemben lévő transzdúcerbe való becsapódási időt. Magától értetődően az áramlással szemben érkező impulzus késik, míg az azzal megegyező irányú pedig siet az áramlás nélküli hangsebességhez képest. A késési idő a [7]. egyenlet szerint:

 

t₁=(L/c+w) és t₂=(L/c-w)        [7]

 

A képletben a (t) a hangimpulzus kibocsátásától a beérkezésig eltelt időtartam [s], (L) az úthossz [m], (c) a hangsebesség a mért anyagban [m/s], (w) pedig az áramlási sebesség [m/s]. Innen az áramlási sebesség a [8]. egyenlet szerint:

 

w=L/2*[(1/t₁)-(1/t₂)]      [8]

 

Ezen kívül ismerünk még pulzus-visszhang (pulse-echo) és Doppler áramlásmérőket is.

A 32.B. ábrán pulzus-visszhang elven működő tartálybeli szintmagasság érzékelő szenzor sémája látható. A működési elvének lényege, hogy méri a kibocsátott és a beérkezett impulzus között eltelt időintervallumot és mivel ismert a vivőközeg hangsebessége, ezért innen már könnyen meghatározható a szintmagasság, sebesség = út/idő → v = s/t → ultrahangnál c = L/t, innen L = c*t elven, ahonnan a folyadékszint, logikusan a mért L/2.

Modern érzékelési technika még a doppler ultrahang is, ahol a Doppler-effektusnak megfelelően, CW (Continuous Wave = Folyamatos Hullám) módon, különböző határfeltételek figyelembevételével mérhető például a szervek, szövetek és egyéb objektumok mozgása, annak a régen alkalmazott megfigyelésnek a kapcsán, hogy a vizsgált pontnak a vevőhöz való közeledésénél nő a vett frekvencia, a távolodásánál pedig csökken.

4.2. Aktív ultrahang

 

Napjainkban az aktív ultrahang felhasználási területeit maradéktalanul áttekinteni szinte lehetetlen, mivel sorra jelennek meg az egyre újabb és futurisztikusabb alkalmazásai. Ha mégis megpróbáljuk valamilyen rendszer szerint áttekinteni ezt a hihetetlen lendülettel fejlődő tudományt, akkor a nagyobb alkalmazási területek szerint célszerű rendszereznünk azt.

 

4.2.1. Az ultrahang biotechnológiai és élelmiszeripari szerepe

4.2.1.1. Emulziók előállítása, habtörés

 

A biotechnológia és az élelmiszeripar főleg tisztításra, csírátlanításra, sejt anyagcseretermékek kinyerésére, plakkok diszpergálására, hő és anyagtranszport folyamatok gyorsítására, tartós emulzióképzésre (33.A. ábra) alkalmazza az ultrahangot. Ezen túlmenően, kiterjedten alkalmazzák az aktív ultrahangot keverésre (11. ábra), szemcsék szuszpendáltatására, fermentorok habtörésére (33.B. ábra), folyadékszivattyúként, szelektív szeparációra, a húsok pácolásának gyorsítására, sejtek térbeli rendszerbe hozására gélbe zárás céljára, húsok, csont vágására a szűrés elősegítésére, ultrahang centrifugaként akár önálló, akár kombinált eljárásként.

A 33.A. ábrán, egy ultrahangos emulzióképző berendezés elvi sémája tekinthető meg. Látható az ábrán, hogy a két anyag egymással szemben lép be a rendszerbe, majd a középvonalon, az addigi áramlással merőleges ultrahangsugárban képződik az emulzió. Több ultrahangos emulzió előállító berendezéssel szemben a fenti sémának nagy előnye lehet, hogy az ultrahangsugár hosszabb távon érheti az anyagokat, így sokkal tartósabb emulziók készíthetőek, mint egy olyan berendezésben, ahol az emulzifikálásra fordított úthossz, kizárólag a transzdúcer mechanikai erősítője alatti területre koncentrálódik, amelyhez hasonlót az EU 0602577A1 számú szabadalma alapján publikáltak már hazánkban.

(A)   (B)

 

33. Ábra: Biotechnológiai alkalmazások (A, nagy hatékonyságú emulzifikáló, B, fermentor habtörő)

 

A 33.B. ábra a biotechnológia egyik kardinális kérdését érinti. Minden biotechnológiai rektortípusnál, így a keverős, air lift, mamut, stb. típusoknál a mai napig probléma a habtörés. Ma leginkább nagy sebességgel forgatott habtörő tárcsák, illetve a felületi feszültséget növelő olajok terjedtek el a habzás csökkentésére. Minden alkalmazott megoldás magától értetődően specifikus előnyökkel és hátrányokkal rendelkezik, így például igaz, hogy a mikroorganizmusok szubsztrátként hasznosítják az olajokat, azonban ezekből mindig újabb mennyiségek beadagolására van szükség a habzás megszüntetésére, tehát hosszú távon igen drága, mivel állandó költségnek számolható, illetve nem lenne szükséges jelenléte a fermentációhoz. Az olajos habzáscsökkentéshez még hozzá tartozik, hogy megfelelő adagoló és szabályozó berendezések kapcsolódnak a fermentációs rendszerhez, ami szintén drágítja a teljes rendszer bekerülését.

A 33.B. ábrán felvázolt berendezés, a fermentáció során keletkező habot ultrahang segítségével mintegy szétrobbantja a hangsugár alatt, melyet a habréteg felett egy félköríven mozgó szerkezeten helyeznek el. A bekerülési és elenyésző elektromos áram felhasználási költségein kívül semmilyen járulékos kiadással nem kell számolni az ultrahangos habtörő alkalmazásakor, valamint nem kerül drága és felesleges idegen anyag a fermentlébe, illetve az eszköz szervesen beleilleszthető a fermentációs eljárásba (tisztíthatóság, stb.) is.

A fent bemutatott eljárás a fermentációs iparban hosszú távon innovatív, az ipari technológiát, illetve az oktatást támogató, hazánkban még nem elterjedt habtörési módszer.

 

4.2.1.2. Szeparáció, ülepítés

 

További biotechnológiai felhasználási lehetősége az ultrahangnak az emulziók és szuszpenziók ülepítésének gyorsítása (34. ábra). Az Európai Unióban néhány évvel ezelőtt több kutatóintézet és egyetem összefogásával EuroUltraSonoSep néven TMR programot indítottak a biotechnológiai diszperzió disszociáció ultrahangos megoldására, emulziók és szuszpenziók leválasztására, illetve szelektív akusztikai szeparációra. A programban különböző minőségi típusú, például élő és holt, illetve eltérő fajú sejtek szétválasztásának megoldása is cél volt (Benes et al., 1998). A program sikeres volt, melynek eredményeiről meglehetősen sok, a legkülönbözőbb ultrahang és biotechnológiai szakfolyóiratokban, illetve konferenciákon történtek publikációk. A program eredményei a mai napig hozzáférhetőek, azonban alkalmazásukat tekintve iparilag most vannak elterjedőben. Az eredmények alapján megjósolható, hogy az elkövetkezendő években világszerte ultrahangos fellendülésre lehet számítani az ülepítési és a szeparációs technikában, mivel olyan nagyhatékonyságú berendezésekről van szó, ahol mozgó alkatrész, illetve fizikai, kémiai biológiai kontamináció nélkül végezhető el az ülepítés, a szeparáció, akár szelektív eljárásként is, folyamatosan időszakos leállások nélkül.

A 34.A és B. ábrán sematikusan felvillantott technológiát főleg a szennyvíz, környezet-, illetve a fermentációs-, és biotechnológiai ipar technológiai újításai iránt érdeklődők figyelmébe ajánlom, mivel a bekerülési költségeken, illetve a nem túlságosan jelentős elektromos energia igényen kívül semmilyen járulékos költséggel nem rendelkeznek ezek a nagy hatékonyságú, folyamatos üzemben alkalmazható szeparációs és ülepítési technológiák.

A 34.A és B. ábrán bemutatott technika lényege, hogy speciálisan tervezett akusztikai kamrában állóhullámot kialakítva történik meg az eltérő fizikai tulajdonságú közegek szétválasztása, a vivőközeghez képesti sűrűség, fajsúly, kompresszibiltás különbség, alaki részecske jellemzők, stb. alapján. A technológia által kihasznált jelenséget többek között már Bondy és Söllner (1935) és Tarnóczy (1963) is megfogalmazta korai munkájában. Mégpedig ennek lényege, hogy az állóhullámú interferenciatérben összecsapódott anyagok közül, ha a diszpergált fázis fajsúlya kisebb a diszpergáló fázisénál, akkor az a kimozdulási csomósíkba koagulál, és a felhajtóerő egy bizonyos értéke felett a felszínre vándorol, illetve fordított esetben a nyomási csomósíkba koagulál és az aljzatra szedimentálódik.

A 2.1.4. fejezetben a levitációnál azért nem érvényesült ez a kicsapó hatás, mivel az akusztikai állóhullámban kialakult csomósíkon belül nem volt több anyag az összecsapódáshoz és kiülepedéshez. A 2.4. fejezetben szintén utaltam már arra, hogy a szonolumineszcencia jelenségét mutató buborékok, az állóhullám sebességi csomósíkjaiban csapdázódnak, mivel a fajsúlyuk logikusan kisebb, mint a vivőközeg. Az akusztikai szeparációs rendszerek tervezése igen bonyolult és sok összefüggést vesz figyelembe, azonban ezáltal alkalmazásuk során igen megbízhatóak e berendezések. A 20. ábrán jól látható az akusztikai kavitáció és az állóhullám, mint a jelen alkalmazás kulcsjelenségének szemcsekoncentrációra vonatkozó határvonala modellanyagok esetén. A kavitációs határkoncentráció vizsgálat eredményei alapján meghatározható, hogy milyen szemcsekoncentráció szükséges egy adott intenzitás mellett, vagy milyen intenzitás szükséges egy adott szemcsekoncentráció mellett az ultrahangtérben, hogy akusztikai állóhullám, vagy, akusztikai kavitáció alakulhasson ki. A vizsgálat folyománya, hogy amennyiben állóhullám van, illetve azt alakítok ki a rendszerben, akkor a szeparáció és szedimentáció, amikor viszont kavitáció dominál a hangtérben, akkor a keverés, az emulgeálás és a szuszpendálás valósítható meg az ultrahang segítségével. Ez a mérés pedig alapvető az ultrahang célirányos kiaknázása érdekében. Abban az esetben, ha a szükséges fizikai tényezőket optimalizáljuk, nagyon jól működő berendezésekhez juthatunk, amely konkurense és kiegészítője lehet bármilyen ma alkalmazott ülepítési technológiának. A szennyvíz és a fermentációs ipar iránt érdeklődők számára ismételten felhívom a figyelmet arra, hogy mivel a technológiában nem található mozgó alkatrész, nincs felesleges kontamináció, nincs cserélendő berendezési egység, nincs felesleges segédanyag felhasználás, illetve hatékonyságban bármely jelenleg alkalmazott folyamatos szeparációs eljárással felveszi a versenyt és viszonylag olcsó, ezért az új idők befutója lehet világszinten e technológia.

 

(A)(B)

 

34. Ábra: Emulzió és szuszpenzió szeparációja (disszociációja) ultrahanggal

(A, emulzió, B, szuszpenzió szeparáció)

4.2.1.2.1. Emulziók akusztikai szeparációja

 

A 34.A. ábrán megfigyelhető, hogy az emulzió egy csövön keresztül, a berendezés felső részén áramlik be a rendszerbe, majd egy érkező rezervoárba jut. Innen beáramlik az akusztikai állóhullámtérbe, ahol az emulgeált anyag összecsapódik (koagulál) nagyobb cseppekké, és a vivő és az emulgeált fázis közötti fajsúlykülönbség miatt, a felhajtóerő a nagy méretű cseppeket, az akusztikai erőtérből kiszakítva a felszínre emeli. Ez a felszínre vándorlás akkor következhet be, ha a koagulált emulgált anyag cseppjein ébredő felhajtóerő, a cseppek méretének növekedése által meghaladja a cseppeket csapdázó akusztikai erőtér nagyságát, amihez még hozzájárul az, hogy a cseppek túlnyúlnak, koagulációjuk folytán túlnövekednek a sebességi csomósíkok befogó határain. A beáramló diszperzióban lévő emulgeált cseppek a felhajtóerő által nem tudnak a felszínre vándorolni a hidrodinamikai áramlással szemben, a készülékben való átáramlási időintervallum alatt. Az akusztikai erőtér felel a cseppek sebességi csomósíkokba rendezésért, majd a cseppek összecsapódásáért, továbbá a viszkózus erők egyensúlyozásáért, ami az áramlás kompenzálására szolgál, a cseppek hangtérből való kiáramlásának megakadályozásáért. Az apróbb emulgeált anyag cseppek ezáltal nem tudnak áthaladni a rendszeren, mert ezekre az akusztikai erőtér állóhullámbeli erői intenzíven hatnak, mégpedig azok, amelyek a tanulmány első részében, az akusztikai levitáció jelenségét is támogatták. Miután az emulgeált anyag a felszínre vándorolt, az onnan leszivattyúzható, leereszthető, szűrhető, feldolgozható. A tisztított emulgeálószer a rendszer alsó részén távozik.

Nagyon lényeges a transzdúcer és az akusztikai állóhullámtér között található hűtővíz. Ennek a hőmérséklet stabilizálásnak (hűtésnek) a szerepe, hogy a rendszert állandó hőmérsékleten tartsa. De miért? A magyarázat egyszerű, ha a hőmérséklet változik, akkor megváltozik az anyagok hangvezetési sebessége is, emiatt mivel a frekvencia állandó, könnyen belátható, hogy változik a hullámhossz is. Márpedig ha változik a hullámhossz, akkor változik az állóhullám kialakulásához szükséges adó-reflektorfelület távolság is. Ezáltal amennyiben a hőmérséklet változna, akkor a rendszer lelkének számító állóhullám összeomlana, vagy az emulzió cseppjeire (vagy diszperzió szemcséire) ható akusztikai erőtér nagysága végzetesen lecsökkenne. Ha pedig lecsökkenne a cseppekre ható akusztikai erő, akkor azok mindenféle koagulálás nélkül az eredeti állapotban, a rendszeren lévő alsó kivezető csapon emulzióként távoznának, amely csap elméletileg a tisztított emulgeálószer kitermelésére szolgál. A hőmérséklet változásakor vagy a beáramló anyag hőmérsékletét kell visszaállítani a szükséges értékre, vagy a adó-reflektor távolságát kellene folyamatosan állíthatóvá tenni, mivel a frekvenciaállítás lehetősége a ma alkalmazott nagyteljesítményű egy adott frekvenciára hangolt transzdúcereknél nem biztosított, mely utóbbi elképzelés technológiai kialakítása megoldható, de nem kifizetődő megoldás. A stabil hőmérséklet tehát a rendszer egyik gyengesége lehetne, ha erre nem készülnénk fel technológiailag, annál is inkább, mivel a transzdúcerek hatásfoka hozzávetőleg 50%-os, vagyis a rákapcsolt teljesítmény fele rögtőn hővé alakul.

 

4.2.1.2.1.1. A diszpergált részecskén ébredő akusztikai erő meghatározása

 

Könnyebben belátható a hőmérséklet – hangsebesség – hullámhossz – részecskét csapdázó akusztikai erőtér intenzitásának összefüggése, az akusztikai állóhullámtérben található részecskén ébredő akusztikai sugárzási erő nagyságának meghatározásán keresztül. A legújabb kutatások szerint, a diszpergált részecskén állóhullámban ébredő akusztikai sugárzási erő meghatározására a legáltalánosabb a [9]. képlet:

 

F_acoust=C_a*I_a*r³*sin(2k_z*z)    [9]

A képletben a (F_acoust) az akusztikai erő (pN), (I_a) az akusztikai intenzitás, (r) a részecske sugár, (k_z) a hullámszám (2π/λ), és (C_a) pedig a rendszer akusztikai tulajdonságaitól függő konstans, (z) pedig a szeparátor kapilláris, vagy kamra középtengelyétől mért távolság. Látható, hogy a hullámszámban szerepel a hőmérsékletfüggő hangsebesség (c) által befolyásolt hullámhossz (λ=c/f).

A viszkózus és az akusztikai erő egymásra ellentétesen hatnak, így az akusztikai erőből még le kell vonni a viszkózus erőt. (F_acoust- F_visc). A viszkózus erő meghatározásának a módja a [10]. képlet szerint:

 

F_visc=C_v*ν*r         [10]

 

Ahol a (C_v) konstans a folyadék viszkozitásának a függvénye, illetve (ν) a részecskék sebessége. Minden bizonnyal, akkor ha a teljes folyamatot vizsgáljuk, figyelembe kell még venni a gravitáció, a felhajtóerő, stb. hatását is a koagulált cseppekre. A rendszerben az akusztikai és a viszkózus erő között a részecskén egyensúly jön létre.

 

4.2.1.2.2. Szuszpenziók akusztikai ülepítése

 

A 34.B. ábra egy ultrahangos szuszpenzió ülepítő berendezés elvi sémáját mutatja be. Erre a rendszerre is ugyanazok a fizikai törvényszerűségek érvényesek, mint az előzőre (4.2.1.2.1.1. fejezet), mindössze annyi a különbség, hogy a szuszpendált részecskék a nyomási csomósíkban koagulálnak, illetve a készülék aljában szedimentálódnak, majd a koncentrált szuszpenziónak innen történik meg a leeresztése, eltávolítása, kitermelése. Látható, hogy ebben az esetben közvetlenül az akusztikai állóhullámtérbe történik meg a nyers szuszpenzió bevezetése, azonban azzal a distinkcióval, hogy lamináris hidrodinamikai áramlás mellett, a kialakult részecskepászmákra párhuzamosan történik meg a betáplálás. Az akusztikai erőtérrel párhuzamos betáplálás oka, hogy az akusztikai erőtér által kialakított pászmák, átfolyó rendszerű berendezésben történő stabilizálása érdekében a hidrodinamikai erő által mozgatott nyers szuszpenziót nem vezethetjük neki rögtön merőlegesen a sávoknak, mivel azok rögtön feltörnének, a pászmák feltörése pedig az apróbb szuszpendált szemcsék reszuszpendálását okozná. A koagulált részecskéknek folyamatosan nő a fajlagos sűrűségük és méretük a koncentrálódás során (6. ábra), emiatt az agglomerátum egyre nagyobb része nyúlik túl a csapdázó erővel bíró nyomási csomósíkon. A szemcséken ébredő gravitációs erőnek, az akusztikai erő nagyságát meghaladó mértékénél, a csapdázott részecskékből koncentrálódott szemcse agglomerátumok a készülékaljban kiülepednek.

Hasonló kialakítású berendezésekkel megoldható a szelektív szeparáció is a hidrodinamikai és akusztikai erőtér fizikai kölcsönhatására a szemcsék röppályája alapján. A szelektív szeparáció során eltérő fizikai tulajdonságú szemcséket tudunk konzekvensen elválasztani egymástól. Ezek az eltérő fizikai tulajdonságok például a sűrűség, vivőközeghez és egymáshoz viszonyított kompresszibilitás különbség, a geometriai felépítés, méret, alak, felület, stb. Természetesen egy komplex diszperzió esetén megvalósítható a 34. ábra berendezéseinek kapcsolása is, ahol az emulgeált és a szuszpendált részecskék leválasztása sorba kapcsolt rendszerben megvalósítható.

 

4.2.1.3. A sejtek akusztikai stimulációja (szaporodás-, és termékképzés serkentés)

 

Izgalmas új terület a sejtek fermentációs- és szaporodóképességének fokozása ultrahang segítségével (33.A. ábra), melyről számos jó színvonalú tudományos cikk született az elmúlt néhány évben és többek között a mi kutatásaink is erre irányulnak. Kutatásaink során gyakran tapasztaltuk, hogy bizonyos (általában minden vizsgált sejttípus esetén más) intenzitású ultrahang besugárzás serkentően hat egy adott sejttípusra. Izgalmas kérdés ez, mert az ultrahangot általában a csírák elölésére használjuk és így például a szaporodásserkentő stimuláló hatás váratlan, meglepő eredmény lehet, abban az esetben, ha a két hatás kialakulása között wattnyi, vagy még inkább akkor, ha milliwattnyi ultrahang intenzitáskülönbség van. Igaz az is, hogy ezek a hatások általában összefüggnek az ultrahangtérben tapasztalható akusztikai jelenségekkel, amelyek határzónája nagyon sok fizikai tényezőtől függ, mely tényezők a tanulmány első felében kerültek részletesebben tárgyalásra. Az akusztikai jelenségek (kavitáció, állóhullám, akusztikai áramlás) küszöbértékében alapvető szerepet játszik a sejtkoncentráció (20. ábra), az oldott oxigén szint, az oldott ionok mennyisége és minősége, a kavitációs magok típusa, stb. Az is megfigyelhető, hogy egy bizonyos akusztikai jelenség, így például a stabil kavitáció mellett alacsonyabb intenzitás mellett stimuláló, míg magasabb intenzitásoknál inkább a sejtroncsoló hatás érvényesül.

 

4.2.1.3.1. Stimulációs és gátló vizsgálatok

 

Pseudomonas aeruginosa baktériummal vizsgáltuk ezt az ultrahang teljesítményfüggő stimuláló és pusztító (citolítikus) hatást, melyet még a mikroorganizmus koncentrációjával is összefüggésbe hoztunk (35. ábra). Az látható a 35. ábrán, hogy mind a magasabb 5,4*10⁷/ml, mind az alacsonyabb 1,2*10⁷/ml körüli kiinduló csíraszámú minták esetében érvényesült a stabil kavitáció miatt, az alacsonyabb 6W/cm² ultrahang teljesítmény melletti serkentő, míg a magasabb 9W/cm² melletti gátló, pusztító, citolítikus hatás. Ez azt jelenti, hogy az ultrahang segítségével kialakítható a szelektív fizikai kezelés, tehát eldönthető, hogy milyen irányú és hogy milyen mértékű sejtszám változás kívánatos, egy adott sejttípus esetében, vagyis fajon belül. Nem lehet eléggé kihangsúlyozni, hogy micsoda gazdasági jelentősége van egy olyan fizikai kezelésnek, mely akár 10%-os hozamnövekményt eredményez, akár a sejttömeg képződési sebességben, vagy kihozatalban (SCP), vagy akár a termékképzésben, vagy a szubsztrátkonvezióban.

 

 

35. Ábra: Élő csíraszámok alakulása Pseudomonas aeruginosa baktérium esetén különböző ultrahang intenzitású kezelés hatására stabil kavitáció mellett.

 

Nagyon hasonló hatást tapasztaltunk a vetőmagok csírázási erélyének fokozása, illetve csökkentése kapcsán. Ebben az esetben még további vizsgálatok tárgyát képezi, hogy a tapasztalt csírázási erélybeli változások, vagyis a stimulációs hatás hosszútávon kódolódik-e a vetőmagvakban. Az ultrahang által stimulált vetőmagok, mint a vetőmagipar egyik nemesítést és agronómiát kiegészítő eljárásaként jöhetnek számításba, a nagyobb használati érték megteremtése céljából.

 

4.2.1.3.2. Folyamatos és szakaszos akusztikai stimuláció

 

Visszatérve egy kisebb kitérő erejéig a biotechnológiához, tekintsük meg a 36. ábrát! A 36.A. ábra egy folyamatos ultrahang besugárzó rendszert mutat be. Ezt a rendszert az előzőekben bemutatott sejt szaporodó-, és fermentációs képesség fokozása céljából alkalmazzák. A szakirodalom szerint, mind a szaporodásserkentésben, mind a fermentációs képesség fokozásban jelentős hatása van az ultrahangnak. Természetesen az alkalmazáshoz megfelelően, az adott biológiai rendszernek megfelelő paramétereket kell biztosítani. Ezek a függő változók a sejtkoncentráció, a valódi oldat töménysége, a fermentlében kialakuló hangsebesség, az oldott gáz tartalom, a kialakítandó akusztikai jelenség, stb. Könnyű belátni, hogy akár a technológiai forgó gyorsulása, akár a kihozatal (SCP, anyagcseretermékek, stb.), már akár az előzőekben is említett 10%-os növekedése milyen gazdasági haszonnal jár és ez milyen versenyhelyzet előnyt jelent. A berendezésekben nincs mozgó, eltömődő, kopó, cserélendő alkatrész, illetve a nem túl jelentős elektromos áram szükségleten kívül semmilyen más állandó költség sincsen. A 36. ábra alapján ez az eljárás alkalmazható akár folyamatos, vagy akár szakaszos töltő-ürítő rendszerben is. Megfontolandó szempont az is, hogy a rendszer kialakítható a 34. ábrán bemutatott szeparációs felépítmény szerves részeként, nem szeparációs, hanem cirkulációs módozatban. Az élelmiszeriparban az ultrahang bizonyítottan alkalmazható továbbá az alkoholos italok érésének-gyorsítására, így a sör- és boripar egyre gyakrabban alkalmazza, mivel gyorsul a technológiai forgó, illetve a tárolókapacitás lekötöttsége. A 36.A. ábrán található hőcserélő nem a hangsebesség stabilizálását szolgálja, hanem a sejtek által termelt hő elszállításáért felel. Ebben az esetben a hangsebesség nem lényeges, mivel a hatást az ultrahang magas intenzitása miatt kialakuló stabil, illetve tranziens kavitációs buborékok alakítják ki. Persze akkor, ha egy menetben történne a szeparáció, illetve az ülepítés, valamint a stimuláció, akkor a tervezett kamrától nem lehetne eltekinteni, azonban ebben a munkafázisban a kamra geometriájának mindössze anyagtovábbítási funkciója lenne.

 

(A)(B)

 

36. Ábra: Az ultrahang fermentációs alkalmazásai (A, on-line alkalmazás (Forrás: Schläfer, O. et. al., 2000) B, batch alkalmazás)

 

A 36.A. ábrán látható folyamatos stimuláció, a fermentor anyagáramába mellékágon kapcsolt, sterilizálható átfolyó kamrájában történik meg. Az ultrahang kezelőtérben való tartózkodási időeloszlása jól meghatározható az egyes sejteknek, ezért célzott dózisú kezelésben részesíthető az ismert mennyiségű „sejthalmaz”. Tulajdonképpen tehát ez is egy szakaszos fermentáció, csak a kezelés tehető így folyamatossá és jól tervezhetővé.

A 36.B. ábrán a fermentorban helyezik el a sugárzót, vagy transzdúcert, amely az intenzitásától függő mértékben, a kavitáció hatására járulékosan kialakuló akusztikai áramlás segítségével keveri is a folyadékot. A keveredés hatására a kavitációs zónába kerülő sejtek a tartózkodási időeloszlásuknak megfelelő minőségű és mértékű sejtbiológiai hatásban részesülnek. Ebben az esetben is számítható a bejuttatott egy sejtre, vagy 1 milliliterre vett ultrahangdózis, amelyből már a biológiai hatás meghatározható. Azonban a rendszer befolyásolása szempontjából sokkal jobban kézbentartható a 36.A. ábrán bemutatott elrendezés.

 

 

 

4.2.1.3.3. Az ultrahang biotechnológiai felhasználásaira vonatkozó következtetések

 

Látható, hogy az ultrahang a fermentációs iparokban alkalmas mind az up-stream, mind a down-stream műveletek támogatására.

Az up-stream kategóriában nagyon lényeges a szaporodó és a fermentációs képesség fokozó, vagyis a stimuláló hatás, melynek kapcsán a szakirodalmak az eltérő vizsgálati körülményekhez mérten mindenütt 10%, vagy e feletti stimulációs szintet (műveleti időben, sejttömeg kihozatalban, szubsztrát konverzióban, termékképzésben, stb.) mértek a kontroll mintákhoz képest, ami anyagilag óriási előnyt jelent az ultrahang alkalmazóinak, a konvencionális technikai alkalmazásokhoz képest.

A down-stream műveletekben fontos szerepe van az ultrahangnak a sejtek és a fermentlé szétválasztásában (akár a fenti 34. ábra szerinti módokon), illetve a sejt belső anyagcseretermékeinek kinyerésében, a sejtroncsolásban, vagy dezinficiálásban.

 

4.2.1.4. Az ultrahang néhány konkrét élelmiszeripari alkalmazása

 

Az ultrahang alkalmazható a konzervek zárás előtti habzásának megszüntetésére, hasonlóan a fermentornál alkalmazott 33. ábra szerinti módozathoz, vagy éppen ellenkező irányból alkalmazva más termékeknél a zárás előtti palackozás előtt álló termékek habosításra (37. ábra).

Az élelmiszeriparban egyre elterjedtebb a cipők, csizmák és textíliák mosására, tisztítására, fertőtlenítésére való alkalmazása az ultrahangnak. Alkalmazható továbbá a fagyott húsok felengedésére, tészták kelesztésének gyorsítására, helységfertőtlenítésre, ipari ultrahang mosógépnek, rizs és más szemes termények mosására, valamint halhús fehérítésre. Újabban egyre gyakrabban alkalmazzák savanyúságban a tejsavbaktériumok (lactobacillus) élettevékenységének serkentésére, egyes porított élelmiszerek nagyhatékonyságú szárítására, a hűtőgépek hűtési teljesítményének növelésére, és egyéb élelmiszeripari műveletekre.

 

(A)      (B)

 

37. Ábra: Az ultrahang konzervipari alkalmazásai (A, habosítás, B, habtörés)

 

Az ultrahangos szárítási eljárás, az értékes komponenseket tartalmazó, általában porított, vagyis hozzávetőleg 1mm alatti szemcsékből álló halmazok dehidratációjának, illetve oldószer mentesítésének céljára, a 33.B. és a 37.B. ábrán feltüntetett ultrahangrendszert alkalmazza. Az eljárás mind az élelmiszer,- mind a gyógyszer,- mind a vegyipari felhasználásokra vonatkozóan komoly lehetőségeket tartogat.

 

4.2.1.5. Az ultrahang sejtbiológiai hatásaira vonatkozó vizsgálatok

 

         Mindössze élményszerűen villantanám fel a 38. és a 39. ábrát, mint az aktív ultrahang egyik leggyakrabban használt, mondhatnánk, hogy legnépszerűbb alkalmazásának, a sejtroncsolásnak bemutatására. Korábban érintőlegesen a munkánkkal kapcsolatban utaltam erre az alkalmazásra, sőt a 24-26. ábrán feltüntettem néhány képet az általunk tervezett és gyártott berendezésekről, valamint a kezelések eredményeiről.

Ezen a helyen a konkrét eredmények azon részét ismertetem, melyek az ultrahang globális, mindenki által hozzáférhető felhasználási lehetőségéhez, az akusztikai sejtroncsolás fizikai alapjainak megértéséhez és élményszerűbbé tételéhez szükségesek, ahhoz, hogy megértsük, miért van nagy jelentősége a kezelés végeredményében a különböző befolyásoló fizikai tényezőknek.

Saccharomyces cerevisiae pékélesztő szuszpenziót különböző kibocsátott teljesítményekkel kezeltünk 1,117MHz frekvencián és mértük a tizedelési időt (D). A tizedelési időintervallum (D) az a terminus, amely mellett a szuszpenzióban lévő sejtek élő sejtszáma a kiindulási tizedére csökken. Mivel ezt általában a fizikai kezelések esetében exponenciálisra vesszük, ezért ez az időben egy állandó érték (log-normál diagrammban egyenes), vagyis 10⁷/ml-ről 10⁶/ml-re ugyanannyi idő alatt csökken a sejtszám, mint 10¹/ml-ről 10⁰-ra.

A mért élő sejtszámokból a tizedelési idő (D) meghatározása a következő [11-12]. képletek alapján történt:

 

k = ((2,303 / (t-t₀)) * lg (N₀ / N_t)       [11]

D = 2,303 / k                                   [12]

 

Az egyenletben az (N) a túlélő sejtszám, melynek változása (t) idő alatt arányos a mindenkori sejtszámmal, és ahol a (k) arányossági tényező a pusztulási sebességi együttható, vagyis a fajlagos pusztulási sebesség, (N₀) a kezdeti sejtszám (t₀) időpillanatban és (N_t) a túlélő sejtszám (t) időpillanatban.

A mikrobapopulációk pusztulásának alapegyenlete ([13]. képlet):

 

N_t = N₀ * e ^–k(t-t₀⁾                              [13]

 

A [13]. egyenlet azonos az exponenciális szaporodás egyenletével, csak az együttható negatív előjelű.

         A 38. ábra a Saccharomyces cerevisiae pékélesztőgomba D értékeit mutatja különböző kibocsátott ultrahang teljesítmények mellett.

 

 

38. Ábra: „D” értékek alakulása a kibocsátott ultrahang teljesítmények függvényében 2*10⁷/ml koncentráció mellett (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

A 38. ábrán látható, hogy a “D” vagyis a tizedelési idő érték a teljesítmény növekedésével fordított arányban változik. Azaz minél nagyobb teljesítményeket alkalmaztunk, annál kisebb D értékeket kaptunk.

Amennyiben egy másik faktort, a sejtkoncentrációt is figyelembe vettünk ennél a vizsgálatnál a tranziens kavitáció (2.3.2.1. fejezet) akusztikai jelensége mellett, úgy a 39. ábrát kaptuk.

 

39. Ábra: A Saccharomyces cerevisiae rezisztenciasíkja különböző alkalmazott ultrahang teljesítmények és sejtkoncentrációk mellett (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

Jól megfigyelhető, hogy a sejtkoncentrációk és a D értékek egyenes arányban viszonyulnak egymáshoz az akusztikai kavitáció jelensége mellett. Tehát a D értékek az alkalmazott ultrahang teljesítménnyel fordított, míg a sejtkoncentrációval egyenes arányban állnak. Azt is megfigyelhetjük, ha a 35. és a 38. ábrát gondosan szemügyre vesszük, hogy mindkét kezelt mikroorganizmus faj esetében hatással volt a koncentráció, illetve az alkalmazott teljesítmény a sejtek túlélésére. Például figyeljük meg a 6W/cm² teljesítmény melletti kezelés hatását mindkét mikroorganizmus fajra. Az összehasonlítás a közel azonos kiinduló csíraszámok, illetve a tranziens kavitáció jelensége miatt megtehető. Látható, hogy a Pseudomonas aeruginosa baktérium esetén serkentő, míg a Saccharomyces cerevisiae élesztőgombánál pedig gátló, roncsoló hatása van ennek a kezelési szintnek. A 2.6.6. fejezetben erre a hatásra természetesen találhatók biofizikai magyarázatok, azonban ebben az esetben, bár jelen tanulmány nem ennek bizonyítására irányul elsősorban, mégis könnyű belátni, hogy amennyiben mindkét sejttípus jelen van a hangtérben a besugárzás alatt, úgy azokra azok egymáshoz viszonyított sejtszámának és az alkalmazott ultrahang intenzitásnak a függvényében eltérő (serkentő és gátló) hatások érvényesülhetnek. Ezek alapján pedig ezek a serkentő és gátló hatások célirányosan befolyásolhatóak, így kialakítható a fajok közötti szelektív ultrahangkezelés is. A fenti példát követve tehát 6W/cm² teljesítmény mellett kiirtható az élesztőgomba a baktérium mellől, vagyis az egyik faj a másik mellől, ami nagyon fontos megfigyelés.

Itt térek vissza még egyszer a koncentráció fontosságához, amely alapvető hatással van az ultrahangtérben kialakuló akusztikai jelenségekre. Abban az esetben, hogyha túl magas koncentrációt, vagy túl alacsony akusztikai nyomás amplitúdót (ultrahang intenzitást) alkalmazunk, úgy leállhat a kavitáció és akusztikai állóhullám alakul ki. Nézzük ez milyen drasztikus eredménnyel jár a sejtroncsolás mérvadó viszonyszámára, a D értékre (40. ábra).

 

 

40. Ábra: Állóhullám melletti tizedelési idők különböző sejtkoncentrációknál 9W/cm² mellett, 4 ismétlésből, Saccharomyces cerevisiae esetén (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

Látható a 40. ábrán, hogy 9W/cm² teljesítmény mellett az élesztőgomba D értékei fordított arányban változtak az alkalmazott kiinduló sejtkoncentrációkkal az állóhullám akusztikai jelensége mellett (39. ábrán az is látható, hogy a tranziens kavitáció mellett, a kiinduló koncentrációkkal egyenes arányban változnak a D értékek, tehát az állóhullámmal ellentétesen, ami ismét egy szelekciós tényező). Számunkra most azonban elsősorban az a fontos, hogy az addigi kavitáció melletti 100 másodperc körüli D értékek (38. ábra) 1500 másodperc körülire növekedtek 2*10⁷/ml koncentráció környékén (40. ábra), az állóhullám kialakulásának következtében, ami egyszerűen gondosabb odafigyeléssel, kísérletek, labor, vagy ipari munka szakszerű tervezéssel kiküszöbölhető lenne, amennyiben sejtroncsolást folytatunk. Tehát sejtroncsolásnál a tranziens kavitáció hallható hanghatásának megfigyelésére kell törekednünk (21. ábra)!

Ha megfordítom a kapott eredmények értelmezését, akkor elmondható, hogy a fermentáció során a hangtérben lévő sejtek leválasztása, szeparációja állóhullám segítségével különösen annál is inkább ajánlott (4.2.1.2. fejezet), az előzőekben vázolt technológiai előnyökön kívül, mert állóhullám során nem jelentős (0,5% alatti) a sejtek vitalitás csökkenése. Ennek oka a ritkán előforduló sejtek általi akusztikai erővonal átlépések, illetve a hangtérben eltöltött rövid tartózkodási idő.

 

4.2.2. Az ultrahang kémiai alkalmazásai

 

A kémia speciális területe a szonokémia, melyben speciális reakciókat, új reakció utakat és reakciótermékeket nyerhetünk ultrahang hatására, és az eljárásokat pedig szonokémiai reaktorokban folytatjuk (41. ábra). A szonokémia tudományterületének napjainkban az egyik legnagyszerűbb nemzetközi kutatója K. S. Suslick Professzor. A szonokémia szakterületének XX. század elején történő hazai és nemzetközi megalapozásában, a Nobel-díjas Szent-Györgyi Albert szegedi kutatói teamében kezdő, Greguss Pál Professzor is alapvető szerepet játszott.

 

(A)(B)(C)

 

41. Ábra: Szonokémiai reaktor sémák (A, légköri nyomású reaktor, B, 1000bar feletti nyomásokhoz alkalmazott reaktor C, Suslick-féle reaktor)

 

A 41. ábra a legáltalánosabb szonokémiai reaktortípusokat mutatja be. Talán nagyképű, vagy szűklátókörű a kifejezés, hogy legáltalánosabb, mivel a tanulmány teljes terjedelme sem lenne elegendő ahhoz, hogy nagy vonalakban sikerüljön felvázolnom a „legáltalánosabb” szonoreaktorokat és alkalmazásukat. A tanulmány jelen szakasza inkább gondolatébresztésre, a legelterjedtebben alkalmazott laboratóriumi ultrahang berendezések kiegészítő, vagy más típusú alkalmazásának megvilágítására alkalmas. Az ultrahang fő kémiai szerepe a kavitációs buborékon kialakuló katalízis, vagyis a reakciók aktiválási energiájának csökkentése, szonokemikáliák kialakítása, reakciók gyorsítása, reakciópartnerek diszpergálása, diffúziós felület növelése és az enzimaktivitás szabályozása, preparatív termékek előállítása, stb. Az ultrahang befolyásolja a biokémiai reakciók sejtbeli lefolyását, a biopolimerek kötéseit átalakíthatja szonokemikáliákon (például: H⁺+OH^-) és a mechanikai molekularoncsoló hatásokon keresztül (2.6.1. fejezet). Sugárzás hatására megváltozik a sejtmembrán permeabilitása, ionáteresztő képessége is (2.6.4. fejezet). A 41. ábrán tehát egy légköri, valamint egy magas nyomású szonokémiai reaktor sémája látható, illetve egy úgynevezett „Suslick” típusú reaktor, amely a legtöbbször alkalmazott és hivatkozott szonokémiai reaktortípus.

4.2.2.1. Kristályosodási fok, valamint anyagi minőség meghatározás ultrahanggal

 

A fizikai kémia számára a kristályosodási fok meghatározására egyedülálló lehetőséget biztosít az ultrahang. Az abszorpciós koefficiens és a hangsebesség ugyanis változik a kristályok, szemcsék méretének és hangtérbeli koncentrációjának az arányában. Így kalibráció után a kristályosodottságról információt kaphatunk.

A kristályosodási fok, a [14]. egyenlet szerint vizsgálható paraméter:

 

 

Q=((1/v²-1/v_l²)/(1/v_s²-1/v_l²))*Φ.        [14]

 

A képletben szereplő (Q) a számított térfogataránya a szilárd anyagnak, amely megtalálható a szabad rendszerben, (Φ) a diszpergált fázis térfogataránya (v) a mért hangsebesség, (v_s) extrapolált hangsebesség, ami olyan emulzióra (szuszpenzióra) vonatkozik, amely csak szilárd szemcséket (kristályokat) tartalmaz, (v_l) pedig olyan emulzióra vonatkozó extrapolált hangsebesség, amely csak folyékony cseppeket tartalmaz. Magától értetődően itt egy bizonyos kristályosodó emulzióról van szó, nem különböző anyagok kalibrációjáról.

Amennyiben kellő mennyiségű önbizalommal rendelkezünk, úgy számítással meghatározható a szuszpenziókra a hang sebessége is, a következő [15-17]. képletek segítségével, Urik (1947) [15]. egyenlete szerint:

 

v=√1/κρ                        [15]

κ=ΣΦ_iκ_i                                        [16]

ρ=ΣΦ_iρ_i                         [17]

 

A képletekben az (Φ_i) az i-edik komponens térfogatmennyisége a keverékben, (κ) az adiabatikus kompresszibilitás, (ρ) pedig a sűrűség. Amennyiben két anyag alkotja a kétfázisú a rendszert, úgy a következő [18-20]. képletekhez jutunk:

 

κ=ΣΦ_iκ_i=(1-Φ)* κ₁+Φκ₂        [18]

ρ=ΣΦ_iρ_i=(1-Φ)* ρ₁+Φρ₂         [19]

κ_i=1/v_i²*ρ_i²                             [20]

 

A képletekben a (κ₁) a szuszpendálószer adiabatikus kompresszibilitása, melynek sűrűsége (ρ₁), amely a (κ₂) adiabatikus kompresszibilitású (ρ₂) sűrűségű szilárd szemcsés anyagot tartalmazza. Továbbá (Φ) minden esetben a szuszpendált anyag térfogatmennyisége. A képletek a mai napig megállják a helyüket, a mért eredményekkel nagyon szoros egyezést mutatnak. Ugyanígy, vagy hasonló módon informálódhatunk egy fermentorban, vagy bármilyen kémiai- és bioreaktorban lejátszódó folyamatok dinamikájáról, azaz a sejtszám változásáról, a szubsztrátok konverziójáról, vagy éppen a termékképzésről.

 

4.2.2.1.1. Anyagi minőség vizsgálatára irányuló gyakorlati mérések

 

Visszatérve az ultrahangnak az aktív és a passzív jellegére, szíves figyelmükbe ajánlok egy nagyon hatékony analitikai és anyagminőség befolyásoló hibrid eljárást. Az általunk kifejlesztett legújabb laboratóriumi berendezés segítségével (25., 26. ábra) egyedülálló módon az aktív ultrahang besugárzás mellett passzív módon mérhető az abszorpciós koefficiens és a hangsebesség is, méghozzá a teljes technológiai időintervallumot átfogó módon, vagyis folyamatosan. Így az ultrahang anyagi minőség befolyásoló aktív hatásáról passzív mérés segítségével folyamatosan informálódhatunk. Továbbá amennyiben nem az ultrahang anyagminőség befolyásoló hatásának vizsgálata az elemzés célja, akkor az aktuális rendszerbeli változásokról kaphatunk információt, mint például az előzőekben említett kristályosodási fokról, sejttömeg változásról, termékképzésről, stb.

Az egyik alapmérésünk segítségével információt kaptunk a hangsebesség - szuszpenzió koncentráció – mérési frekvencia összefüggésről, mely a továbbiakban kalibrációként szolgál a fermentáció folyamán, így például az élesztőgombából történő SCP (Single Cell Protein) gyártás során kialakuló sejtszám változásról (43. ábra).

 

 

43. Ábra: Hangsebesség alakulása az alkalmazott frekvencia és Saccharomyces cerevisiae koncentráció függvényében (Forrás: Lőrincz, A., 2003’)

 

A 43. ábrán jól megfigyelhető, hogy a mért hangsebesség a vizsgáló frekvenciával és a sejttömeg növekedésével egyenes arányban növekedő tendenciát mutatott. Az egyes pontokat 20 mérési adat átlagaként kaptam és a mért pontok elenyésző szórást mutattak.

A mért pontok segítségével ezután tökéletesen be lehet azonosítani egy fermentációs, kristályosodási, vagy élelmiszeripari, fizikai-kémiai üzemállapotot, illetve még pontosabb összefüggést kaphatunk, ha inkább sok állapot sorozataként folyamatosan követjük a változást, illetve a tendenciákat. Ekkor összefüggéseiben szemlélhető a folyamat és az egyes frekvenciákkal „beazonosíthatóak” a folyamatban részt vevő egyes anyagok, amelyeknek a változása így komplex módon folyamatosan követhetővé válik.

 

4.2.2.2. Ultrahang a galvanizálásban

 

A galvanizáló iparban már nagyon régen ismert, bevált és széles körben alkalmazott eljárás az ultrahangos zsírtalanítás. A zsírtalanítás a 3.4.2. fejezetben ismertetett módon és mechanizmus szerint zajlik. Ma már természetesen nem alkalmazhatnak a tisztításra freont, viszont nagyon jó ultrahangos tisztítószerek állnak rendelkezésre, akár a különböző pH-val rendelkező környezetben található tisztítandó anyagokhoz, akár az eltérő specifikus körülményekhez szükségesek is.

Azonban egy igen érdekes új ultrahang felhasználás lehet a galvanizálás folyamatában, a katódon, vagyis a bevonandó negatív töltésű oldalra kapcsolt fémen történő redukció miatt képződő hidrogén buborékoknak az ultrahangos eltávolítása, melynek sémáját a 42. ábra mutatja be.

 

 

42. Ábra: Ultrahangos buborékmentesítés sémája a galvániparban

Az ultrahang alkalmazásának célja tehát a kezelt fémtárgyon keletkezett hidrogénbuborékok eltávolítása. Azért van szükség a hidrogénbuborékok felületről való eltávolítására, mert a hidrogénbuborékok elektromosan szigetelik a fém felületet az elektrolittól, vagyis az anódról érkező ionoktól, ami miatt azok egyenetlenül vonják be a felületet, ami ezáltal foltossá válik. Ez ellen az anyagot általában alternáló sínen helyezik el, mely mozgása során így megszabadul eme gázbuborékoktól, és viszonylag egyenletesen szóródik a felület az átlagolódó elektromos mező miatt. Egyes esetekben pedig az elektrolitot cirkuláltatják a fémek körül, hasonló céllal.

Az ultrahang alkalmazásával a buborékok eltávolítása, az elektrolit áramoltatása és kismértékben az anyag mozgatása is megvalósul, illetve az ultrahang a konvencionális technológiáknál sokkal egyszerűbb, megbízhatóbb (nincs mozgó, kopó alkatrész), de legalább annyira hatékony megoldás.

 

4.2.2.3. A szonokémiával kapcsolatos következtetések

 

         Természetesen a szakterület hatalmassága megkívánná a bővebb tárgyalását a témának, azonban ezt a fejezetet inkább bevezető, figyelemfelkeltő jelleggel ajánlom szíves figyelmükbe, sem minthogy azt akarnám érzékeltetni, hogy „ennyi” a szonokémia lényege. Nem említettem meg többek között a szonokémiai reakciómodelleket, a kavitációs buborékok felületén lejátszódó kémiai folyamatokat, az elektrosztatikus töltések kavitációs buborékokon való rendeződésének a molekulákra gyakorolt hatását, illetve rengeteg további érdekes és izgalmas adatot, befolyásoló faktort, amelyek felvillantásához a későbbiekben érdemes lenne külön tanulmánnyal adózni.

 

 

 

 

4.2.3. Az ultrahangterápia legújabb módszerei

 

Aktuális orvosi kérdés a korábban is említett hipertermia alkalmazhatósága a rákos sejtek elpusztítására az abszorpciós koefficiens miatti hőmérsékletemelkedés hatására kialakuló daganatsejt fehérjék denaturálása alapján (23. ábra). A XX. század első felétől kezdődően próbálkoznak az in vitro és az emberi testbeli rákos sejtek elpusztításával ultrahang hatására. Csakhogy a dolog nem ilyen egyszerű! Ugyanis, mi a rák? Sok-sok formája, megnyilvánulása, értelmezése van, így ez egy gyűjtő kifejezés. Emiatt nem lehet általános rákgyógyításról beszélni, sem a fizikai, sem a kémiai terápiában. Azonban nem szabad figyelmen kívül hagyni a kis lépéseket, az egyes daganatos betegségek gyógyíthatóságát, ami csak csepp a tengerben, mégis sokaknak lehet megváltás. Néhány ilyen ultrahangos sikerről szeretnék beszámolni a következőkben, a teljesség igénye nélkül, azonban arra felhívva a figyelmet, hogy micsoda szenzációs sikertörténet küszöbén állunk, melyet az ultrahang terápia, mint az aktív fizikai beavatkozások nagyon fontos zászlóshajója fémjelez.

 

4.2.3.1. Mágneses magrezonanciára (MR) alapozott ultrahangsebészet

 

Néhány hónappal ezelőtt jelentették be, hogy a SOTE-n rendelkezésre áll az első MR, azaz mágneses magrezonancia képalkotás alapján számítógéppel vezérelt fókuszált ultrahangsugár segítségével működő sebészeti berendezés, mely több transzdúcer egy pontra fókuszált sugarának hő hatására kialakuló fehérje denaturációja (kicsapódása) alapján pusztítja el a daganatokat, melyek azután felszívódnak. Ennél a berendezésnél a műtét seb nélkül ambulánsan végezhető úgy, hogy a sebész az MR képen kijelöli a denaturálandó területeket, majd a sugár a környező szövetek túlmelegedése nélkül, on-line kontroll mellett a kijelölt területen koncentrálódva, azt hozzávetőleg 30°C-al felmelegítve elvégzi a kezelést. Tehát, ha futurisztikusan akarnék fogalmazni, ez azt jelenti, hogy miközben az emberi test egy teremben tartózkodik, azt folyamatosan átvilágítják, és nem csak egy képet érzékelnek, hanem a térben, akusztikai energia segítségével be is avatkoznak a testbe. Ennek kapcsán a „szkenner” állandóan informálja az orvost, aki előre automatikusan beprogramozza a kezelés paramétereit, hogy hol tart a kezelés menete, illetve, ha szükséges, akkor manuálisan, vagy automatikusan közbe lehet avatkozni, például a környező szövetek túlmelegedésének megelőzése, vagy a sugár térbeli pozicionálása érdekében. Eközben a páciensnek nincsenek fájdalmai és a beavatkozás után azonnal elhagyhatja a kórházat, munkaképes és nincsen rajta vágás és nincs fertőzésveszély sem.

 

4.2.3.2. Magasintenzitású fókuszált ultrahang (HIFU)

 

Az elmúlt ősszel New Yorkban az ultrahang sejtbiológiai hatásaival kapcsolatban tartottam előadást, az Ultrasonic Industrial Association világszervezet éves konferenciáján, ahol többek között módom volt megismerni egy különleges hibrid ultrahang alkalmazást, melyet a következőkben bemutatok. Az alkalmazás célja a prosztata ultrahang diagnosztikára alapozott terápiás célú fókuszált ultrahang sugár alkalmazása, a rákos szövetek kezelésére (44. ábra). Ebben az esetben is folyamatos kontroll mellett vágás nélkül végezhető a műtét, nagy pontossággal és igen jó hatékonysági mutatók mellett, csakúgy , mint az előző módszernél.

 

        

 

44. Ábra: Magas intenzitású fókuszált ultrahang (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) terápiás alkalmazása

 

Az előző módszerhez viszonyított különbség abban áll, hogy itt a test átvilágítását nem mágneses magrezonancia, hanem ultrahang segítségével végzik. Hasonlóan állandó beavatkozási lehetőséget biztosít a módszer automatavezérlés lehetősége mellett. Szintén folyamatos a hőmérséklet szkenner, illetve a test átvilágítás.

 

4.2.3.3. 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 beviendő géneket, gyógyszereket tartalmazó anyagot juttatnak a szervezetbe, majd az adott célterületre történő ultrahang sugárzás segítségével ezeket a mikrobuborékokat, mint kavitációs magokat felrobbantják, így a felsértett sejtmembránokon keresztül a gének és terapeutikumok sejtbe jutása biztosítottá válik, majd a sejtek regenerálódnak. Ezután a gén expresszálódik, kifejeződik és a termelt fehérjéken (enzim, stb.) keresztül kifejti hatását.

Hasonló technológiát alkalmaznak az in vitro ultrahangos génbejuttatásra, génmanipulációra, melyet szonoporációnak (sonoporation) neveztek el, amivel a bejuttatott gének hagyományos eljárásokhoz képesti expressziós hatékonyságát jelentősen sikerült megnövelni.

 

4.2.3.4. Általános terápiás ultrahang alkalmazások

 

Fogkő eltávolításra (45.A. ábra), illetve kozmetikai céllal mélymasszázsra széleskörűen alkalmazzák az ultrahangot hazánkban is.

Amerikában egyre elterjedtebb a kontakt ultrahangszike alkalmazása (45.B. ábra), melynek segítségével a vágás a hagyományos szikéhez hasonlóan történik, azzal a különbséggel, hogy itt a hanghullámok vibráltatják a pengét.

Magas nyomású vízsugár technológiához hasonló eljárás is létezik, ahol a vágást hanghullámok végzik, maga a szike pedig egy tompa végű fém pálca.

A legtöbb ember által ultrahangos vesekőzúzásnak ismert terápia is szóba kell, hogy kerüljön itt, azonban erről jó tudni, hogy általában legtöbbször nem ultrahanggal végzik, hanem kondenzátorok kisütésekor keletkező parabolikus elemeken fókuszált, egy pontban koncentrálódó lökéshullámokkal tömlőkben lévő folyékony közvetítőanyagon át (45.C. ábra).

 

(A)(B)(C)

 

45. Ábra: Az ultrahang terápiás alkalmazásai (A, fogkő eltávolítás, B, ultrahangos szike, C, vesekő zúzás)

 

Az ultrahangos vesekőzúzás lényege, hogy a fent említett (9., 10. ábra) lökéshullámot (Shock Wave), folyadékkal töltött közvetítő tömlők segítségével egy pontra, vagyis inkább egy zónára koncentrálják. A lökéshullám a lágy szöveteken és a vizeleten keresztülhaladva az akusztikailag kemény kőfalba ütközik, ahol, mint egy „virtuális kalapács” munkát végez, amelynek kapcsán a vesekövek bizonyos típusai kisebb szemcsékre esnek szét, majd a vizelettel távoznak.

 

4.2.4. Hétköznapi és háztartási ultrahang felhasználásának lehetőségei

 

Többek között ma a legtöbb tintasugaras nyomtató tintapatronjában is piezoelektromos kerámiákat alkalmaznak (Actuator-okat). Alkalmazható továbbá az ultrahang a háztartási és ipari mosogatóban, a zsíros odaégett szennyeződések eltávolítására, ékszerek tisztítására, ecsetmosásra, fagyott húsok felmelegítésére, inhalálásra, mosógépben, textilfehérítésre, autómosó fejben, textilfestő berendezésben, ultrahangos főzőlapban, szárítóban, autóról és más felületekről való vízlepergetőben, a használt tintasugaras és lézernyomtatóval nyomtatott lapokról való festékeltávolításra, stb.

 

4.2.4.1. Ultrahangos hegesztés, forrasztás

 

Bár ez sem hétköznapi, de egyre elterjedtebb alkalmazás az ultrahangos hegesztés és forrasztás (46. ábra). Az ultrahangos hegesztés és forrasztás lényege, hogy a két egyesíteni kívánt felületre nagy nyomással rápréselik az ultrahangos hegesztőfejet, ami a felületekre merőleges oszcillációja, vagy dörzsölése miatt azokat felmelegíti. Ezáltal a kisebb olvadáspontú fém megolvad, körbeveszi a nagyobb olvadáspontút, és a művelet után a fém megfagyásával kialakul a kötés.

 

(A)(B)

 

46. Ábra: Ultrahanghegesztő séma (A, a hegesztés fizikai alapja, B, amplitúdó növekedése mechanikai erősítéssel ultrahanghegesztőben)

 

A témáról komoly tanulmányok születnek és egy nagyon gyorsan fejlődő, igen széles körben alkalmazott technológiáról van szó, amelyben mind a hazai ipari felhasználóknak, mind a kutatóknak, innovációnak kell, hogy legyen fantázia.

 

5. Következtetések, javaslatok

 

         E cikk megírásával számos aktív ultrahang alkalmazásra próbáltam rávilágítani. Törekedtem rá, hogy a leendő és az aktuális laboratóriumi és ipari felhasználók, az elméleti ultrahang iránt érdeklődők és a szórakoztató tudományos irodalmakat kedvelők, a szerteágazó igényeikhez mérten megtalálják a számukra legmegfelelőbb gondolatokat, ötleteket, alkalmazásokat. Azt látni kell, hogy napjainkban ez a tudományág fellendülőben van, és az „aki kimarad, az lemarad” elven futva be kell látni, hogy hazánkban néhány fent említett technológia és működési mód kuriózumnak számít, és valószínűleg az marad még huzamosabb időn keresztül is. Tudjuk, látjuk, érzékeljük, hogy világszinten soha nem látott versenyhelyzet alakult ki, mind a globális tudományban, mind az ipari területeken. Be kell látnunk, hogy ma a fejlődés sebessége az egyedüli gátja, vagy az egyedüli szűk keresztmetszete a tudományos és technológiai versenynek, még akkor is, ha „csak kapkodjuk a fejünket” az újdonságokon az élet minden területén. Ennek a szűk keresztmetszetnek az oka „nyugaton” az innováció sebessége és az eredmények üzleti alapokon nyugvó hozzáférhetősége (hozzá nem férhetősége), hazánkban pedig a nagyon véges pénzügyi lehetőségek.

Persze egyértelmű, hogy csak az képes hatékony innovációra, akinek van miből erre fordítani. Világszinten a K+F ráfordítások tekintetében első helyen Japán áll, amely 5% körül fordít a GDP-jéből innovációra, míg második helyezett az USA 3,5-4%-al és harmadik az EU 3%-al. Magyarország világszinten az amúgy sem túl magas GDP-jéből 0,8% fordít erre, ami „testvérek között” sem túl sok.

Az EU a kutatási és fejlesztési ráfordításokról szóló adatok nyilvánossá tétele után, a „szívéhez kapott” és pánikszerűen belevetette magát a fokozódó nemzetközi versenybe (ide EU5, oda EU6 keretprogram) és kitalálta az ERA-t, ami tulajdonképpen szabadfordításban annyit tesz, hogy Európai Kutatási Terület (European Research Area). Ennek lényege az, hogy az eddig igen extenzíven működő kutatásokat megpróbálják akár helyileg, akár tevékenységüknél fogva bürokratikusan filozófiailag koncentrálni, majd célzottan ezekbe pumpálni a kutatási és fejlesztési pénzeket. Igen csúf hasonlattal élve, megpróbálják az „egy négyzetméterre” fordított kutatási pénzeket a négyzetméter számának csökkentésével arányaiban növelni. Ezáltal a következő statisztikai évben ki fog derülni, hogy az EU áll az első helyen az „egy négyzetméterre eső” ráfordításokat nézve.

Ebből, amit nekünk világosan látni kell az, hogy a kisebb intézeteknek, K+F cégeknek, illetve a központi projektekhez nem kapcsolódó témáknak nem fog jutni támogatás, akár tud valaki pályázatot írni, akár nem, ugyanis rajtuk fogják megspórolni a kiadásokat. Tehát amennyiben talpon akarunk maradni, lépni kell, az EU központi vonulatainak irányába. Ez egyénre, vagy cégre, intézetre bontva azt jelenti, hogy mivel ma sincs pénzünk fejleszteni, és holnap még ennyire sem lesz, ezért valami viszonylag nem drága, de mégis hosszú éveken keresztül kuriózumnak számító tevékenységbe kell vágni a fejszénket, amire kiváló lehetőség az aktív ultrahang alkalmazott tudománynak a bevezetése, akár a laboratóriumban, akár iparilag is.

Cégünk, kutatócsoportunk konvencionális és speciális ultrahang berendezések tervezésével és kivitelezésével foglalkozik, gyártunk és forgalmazunk nagyteljesítményű ultrahangos zsírtalanítókat és tisztítókat kád és mobil beépíthető formában galván- és élelmiszeripari, illetve laboratóriumi berendezéseket, a külföldi cégekhez képest kedvezőbb árfekvésben, az adott célnak megfelelő kialakításban.

Inovációs, K+F tevékenységbe bárkivel szívesen együttműködünk.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Irodalomjegyzék

 

1.     Ahmed, F. I. K. – Russel, C. (1975): Synergism between ultrasonic waves and hydrogen peroxide in the killing of microorganisms. J. Appl. Bacteriol. Vol. 39., pp. 31. - 40.

2.     Alliger, H. (1975): Ultrasonic disruption. Am. Lab. Vol. 10., pp. 75-85.

3.     Barnett, S. B. – Miller, M. W. – Cox, C. – Carstensen, E. L. (1988): Increased sister chromatid exchanges in Chinese hamster ovary cells exposed to high intensity pulsed ultrasound. Ultrasound Med. Biol. Vol. 14, pp. 397-403.

4.     Benes, E. - Grösschl, M. - Handl, B. – Trampler, F. Nowotny, H. (1998): Das europaische TMR-Netzwerk „Ultrasonic Separation of Suspended Particles” Proc. Joint Symposium AAA and ÖPG TC Acoustics, Graz, Austria, 14. - 15. 1998, p 2, Austrian Acoustic Association and TC Acoustic of the Austrian Physical Society.

5.     Blackshear, P. L. – Blackshear, G. L. (1987): Mechanical hemolysis. In: Skalak, R. – Chien, S. eds. Handbook of bioengineering. New Zork: McGraw-Hill, pp. 15.1-15.9.

6.     Bondy, C. – Söllner, K. (1935): Trans. Farad. Soc. 31, pp. 835-842.

7.     Brayman, A. A. – Azadniv, M. – Miller, M. W. – Chen, X. (1994): Bubble recycling and ultrasonic cell lysis in a stationary exposure vessel. J. Acoust. Soc. Am. Vol. 96. pp. 627-633.

8.     Brayman, A. A. – Miller, M. W. (1993): Cell density dependence of the ultrasonic degassing of fixed erythrocyte suspensions. Ultrasound Med. Biol. Vol. 19., pp. 243-252.

9.     Carstensen, E. L. – Kelly, P. – Chrunch, C. C. – Brayman, A. A. – Child, S. Z. – Raeman, C. H. – Schery, L. (1993): Lysis of erythrocytes by exposure to CW ultrasound. Ultrasound Med Biol., Vol. 19, pp. 147-165.

10. Chapman, I. V. (1974): Br. J. Radiol. 47, 411.

11. Ciccolini, L. – Taillandier, P. – Wilhem, A. M. – Delmas, H. – Strehaiano, P. (1997): Low frequenc thermo-ultrasonication of Saccharomyces cerevisiae suspensions: effect temperature and of ultrasonic power. Chemical Engineering Journal. Vol. 65., Issue. 2., pp. 145-149.

12. Dinno, M. A. – Crum, L. A. – Wu, J. (1989): The effect of therapeutic ultrasound on electrophysiological parameters of frog skin. Ultrasound Med. Biol. Vol. 15., pp. 461-470.

13. Dinno, M. A. – Al-Karmi, A. M. – Stoltz, D. A. – Matthews, J. C. – Crum, L. A. (1993): Effect of free radical scavengers on changes in ion conductance during exposure to therapeutic ultrasound. Membr. Biochem. Vol. 10., pp. 237-247.

14. Dooley, D. A. – Sacks, P. G. – Miller, M. W. (1984): Production of thimine base damage in ultrasound exposed EMT6 mouse mammary sarcoma cells. Radiat. Res. Vol. 97., pp. 71-86.

15. Dyson, M. (1985): in „Biological Effects of Ultrasound”, Clinics in diagnostic ultrasound, Nyborg, W. I. – Ziskin, M. C., Eds., Churchill Livingstone, New York, 1985, Vol. 16, PP. 121-133.

16. Ellwart, J. W. – Brettel, H. – Kober, L. O. (1988): Cell membrane damage by ultrasound at different cell concentrations. Ultrasound Med. Biol. Vol. 14., pp. 43-50.

17. Feindt, W. (1951): Über die Ultraschallemphindlichkeit desParamaecium caudatum. Strahlentherapie 84.,  pp.: 611-614.

18. Fu, Y-K. – Miller, M. W. – Lange, C. S. – Griffiths, T. D. – Kaufman, G. E. (1980): Ultrasound letality to synchronous and asynchronous Chinese hamster V-79 cells. Ultrasound Med. Biol. Vol. 6., pp. 39-46.

19. Harwey, W. – Dyson, M. – Pond, J. B. (1975): in „Proc. 2nd European Congress on Ultrasonics in Medicine”, Kazner, E. – de Vlieger, M. – Muller, H. R. – McCready, V. R. Eds., Excerpta Medica, Amsterdam, 1975, Excerpta Medica International Congress Series No. 363., p. 10.

20. Hughes, D. E. (1961): J. Biochem. Microbiol. Technol. Eng., 3. p. 405.

21. Hughes, D. E. – Nyborg, W. L. (1962): Cell disruption by ultrasound. Science. Vol. 138., pp. 108-144.

22. Hurst, R. M. – Betts, G. D. – Earnshaww, R. G. (1995): The antimicrobial effect of power ultrasound. R&D Report No. 4, Chipping Campden, Glos.

23. Inoue, M. – Chrunch, C. C. – Brayman, A. – Miller, M. W. Malcuit, M. S. (1989): Confirmation of the protective effect of cisteamine in in vitro ultrasound exposures. Ultrasonics. Vol. 27., pp. 362-369.

24. Kaufman, G. E. – Miller, M. W. – Grriffiths, T. D. – Clalrvino, V. (1977): Ultrasound Med. Biol. 3, 21.

25. Kaufman, G. E. (1985): Mutagenicity of ultrasound in cultured mammalian cells. Ultrasound Med. Biol. Vol. 11., pp. 497-501.

26. Kondo, T. – Gamson, J. – Mitchell, J. B. – Riesz, P. (1988): Free radical formation and cell lysis induced by ultrasound in the presence of different rare gases. Int. J. Radiat. Biol. Vol. 54., pp. 995-962.

27. Lee, B. H. – Kermasha, S. – Baker, B. E. (1989): Thermal ultrasonic and ultraviolet inactivation of salmonella in thin films of aqueous media and chocolate. Food Microbiol. Vol. 6., pp. 143-152.

28. Li, G. C. – Hahn, G. M. – Tolmach, L. J. (1977^a): Cellular inactivation by ultrasound. Nature. Vol. 267. p. 163.

29. Li, G. C. – Hahn, G.M. – Tolmach, L.J. – Shiv, E. – Pounds, D. (1977^b): Radiat. Res. Vol. 70, p- 691. In.: ter Haar, G.R. (1988): Biological Effects of Ultrasound in Clinical Applications. In Suslick, S. K. (1988): Ultrasound, Its Chemical, Phisical, and Biological Effets. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, pp. 305-319.

30. Lillard, H. S. (1993): Bactericidal effect of chlorine on attached Salmonellae with and without sonification. J. Food Protect. Vol. 56., No. 8., pp. 716-717.

31. Loverock, P. – ter Haar, G. (1991): Synergism between hyperthermia, ultrasound and gamma irradiation. Ultrasound Med. Biol. Vol. 17., pp. 607-612.

32. Lőrincz, A. (2003): Élelmezési célú biológiai anyagok ultrahangos besugárzásának élelmiszerfizikai és mikrobiológiai vonatkozásai (Doktori (PhD) értekezés). Nyugat-Magyarországi Egyetem.

33. Macintosh, I. J. C. – Davey, D. A. (1970): Chromosome aberrations induced by an ultrasonic fetal pulse detector. Br. Med. J., Vol. 4, pp. 92-93.

34. Miller, D. L. – Thomas, R. M. – Frazier, M. E. (1991): Ultrasonic cavitation indirectly induces single strand breaks in DNA of viable cells in vitro by the action of residual hydrogen peroxide. Ultrasound Med. Biol. Vol. 17, pp. 729-735.

35. Miller, D. L. – Thomas, R. M. (1993): Frequency dependence of cavitation activity in a rotating tube exposure system compared to the mechanical index. J. Acoust. Soc. Am. Vol. 93., pp. 3475-3480.

36. Miller, D. L. – Thomas, R. M. (1994): Cavitation dosimerty: estimates for single bubbles in rotating-tube exposure system. Ultrasound in Med & Biol., Vol. 20, pp. 197-193.

37. Miller, D. L. – Thomas, R. M. – Buschbom, R. L. (1995): Comet Assay reveals DNA strand breaks induced by ultrasonic cavitation in vitro. Ultrasound Med Biol., Vol. 21, pp. 841- 848.

38. Miller, M. W. – Miller, D. L. – Brayman, A. A (1996): A review of in vitro bioeffects of inertial ultrasonic cavitation from a mechanistic perspective. Ultrasound in Medicine and Biology, Vol. 22, Issue 9, pp. 1131-1154.

39. Morton, K. I. – ter Haar, G. R. – Stratford, I. J. – Hill, C. R. (1982): Br. J. Cancer. 45, Suppl. V, 147. In.: ter Haar, G.R. (1988): Biological Effects of Ultrasound in Clinical Applications. In Suslick, S. K. (1988): Ultrasound, Its Chemical, Phisical, and Biological Effets. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, pp. 305-319.

40. Nyborg W. L. –Miller D. L. - Gershoy, A. (1974): Proceedings of Seventh Rochester International Conference on Environmental Toxicity, Plenum Publishing Co, New York.

41. Ordonez, J. A. – Sanz, B. – Hernandez, P. E. – Lopez-Lorenzo, P. (1984): A note on the effect of combined ultrasonic and heat treatments on the survival of thermoduric Streptococci. J. Appl. Bacteriol. Vol. 56., pp. 175-177.

42. Petin, V. G. – Komarov, V. P. – Skvortzov, V. G. (1980): Combined action of ultrasound and ionizing radiation on yeast cells. Radiation and Environmental Biophysics. Vol. 18., Issue. 1., pp. 45-55.

43. Petin, V. G. – Zhurakovskaya, G. P. – Komarova, L. N. (1999): Mathematical description of combined action of ultrasound and hyperthermia on yeast cells. Ultrasonics. Vol. 37., Issue. 1., pp. 79-83.

44. Prise, K. M. – Davies, S. - Michael, B. D. (1989): Cell killing and DNA damage in Chinese hamster V79 cells treated with hydrogen peroxide. Int. J. Radiat. Biol. Vol. 55., pp. 583-592.

45. Raso, J. – Condon, S. – Sala Trepat, F. J. (1994): Mano-thermosonication: a new method of food preservation? In: Food Preservation by Combined Processes. Final report for FLAIR Concerted Action No. 7 Subgroup B.

46. Riesz, P. – Kondo, T. (1992): Free radical formation induced by ultrasound and its biological implications. Free Rad. Biol. Med. Vol. 13, pp. 247-270.

47. Rubleson, G. R. – Murray, T. M. – Pollard, M. (1975): Appl. Microbiol. P. 340.

48. Sanz, P. – Palacios, P. – Lopez, P. – Ordonez, J. A. (1985): Effect of ultrasonic waves on the heat resistance of Bacillus stearothermophilus spores. In: Dring, G. J. – Ellars, D. J. – Gould, G. W. (editors) Fundamental and Applied Aspects of Bacterial Spores, Academic Press, New York, pp. 251-259.

49. Schläfer, O. – Onyeche, T. – Bormann, H. – Schröder, C. – Sievers, M. (2000): Ultrasound stimulation of micro-organisms for enhanced biodegradation. Ultrasonics.Vol. 40., pp. 25-29.

50. Schnitzler, R. M. (1973): Interactions of Ultrasound and Biological Tissues. DHEW Publication (FDA) 73-8008, BRH/DBE 73-1 p. 69. Kim, A. – Pavlovic, S. – Schnitzler, R. M. – Woeber, K. H. (1971): First Nat. Rumanian Conf. On Biophisics, Bucharest, p. 69.

51. Tarnóczy, T. (1963): Ultrahangok. Műszaki Könyvkiadó, Budapest. p.271.

52. Thacker, J. (1973): An approach the mechanism of killing cells in suspension by ultrasound. Biochem. Biophis. Acta. 304, p. 240.

53. Thacker, J. (1974): Brit. J. Radiol. 47, p.130.

54. ter Haar, G. R. – Dyson, M. – Smith, S. P. (1979): Ultrasound Med. Biol. 5, 167.

55. ter Haar, G. R. – Straford, I. J. – Hill, C. R. (1980): Br. J. Radiol. 53, 784.

56. Urick, R. J. (1947): A sound velocity method for determining the compressibility of finely divided substances. J. Appl. Phys., 18, 983-987.

57. Veress, E. – Vincze, J. (1977): The haemolysing action of ultrasound on erithrocytes. Acustica. Vol. 36., pp. 100-103.

58. Watmough, D. J. – Dendy, P. P. – Eastwood, L. M. – Gregory, D. W. – Gordon, F. C. A. (1977): Ultrasound Med. Biol. 3, 2205.