Ультразвук
– упругая механическая продольная волна, частота которой превышает 20000Гц. В
медицине применяется УЗ частотой 1-1, 5МГц.
Ультразвуковая
волна вследствие высокой её частоты распространяется в виде лучей (из-за малой
длины УЗ-волны можно пренебречь её волновыми свойствами). Такие лучи можно
сфокусировать с помощью специальных акустических линз и достигнуть, таким
образом, большой интенсивности УЗ-волны. Кроме того, поскольку интенсивность
волны пропорциональна квадрату частоты и амплитуды колебаний, то высокая
частота УЗ-волны даже при малых её амплитудах предопределяет возможность
получения УЗ-волн большой интенсивности.
Способы получения ультразвука:
1.
магнитострикционный (получают ультразвук до 200кГц). Магнитострикция – это
изменение формы и объёма ферромагнетика (железо, его сплавы с никелем) при
помещении его в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле – это поле,
вектор магнитной индукции которого изменяется во времени по гармоническому
закону, т.е. изменение указанного параметра характеризуется определённой
частотой. Это поле действует как вынуждающая сила, заставляющая стержень из железа
сжиматься и растягиваться в зависимости от изменения величины магнитной
индукции во времени. Частота сжатий и растяжений будет определяться частотой
переменного магнитного поля. При этом в воздухе у концов стержня возникают
деформации сжатия, которые распространяются в виде УЗ – волн.
Увеличения
амплитуды УЗ-волн добиваются путём подбора такой частоты переменного магнитного
поля, при которой наблюдается резонанс между собственными и вынужденными
колебаниями стержня.
2.
обратный пьезоэлектрический эффект (получают ультразвук более 200кГц).
Пьезоэлектрики – вещества кристаллического строения, имеющие пьезоэлектрическую
ось, то есть направление, в котором они легко деформируются (кварц, сегнетова
соль, титанат бария и др.) Когда такие вещества помещают в переменное
электрическое поле (по гармоническому закону колеблется напряжённость
электрического поля), пьезоэлектрики начинают сжиматься и растягиваться вдоль
пьезоэлектрической оси с частотой переменного электрического поля. При этом
вокруг кристалла возникают механические возмущения – деформации сжатия и
разряжения, которые распространяются в виде УЗ-волн. В достижении нужной
амплитуды играют роль резонансные явления.
Эффект
назван обратным, поскольку исторически раньше был открыт прямой
пьезоэлектрический эффект – явление возникновения переменного электрического
поля при деформации пьезоэлектриков.
Наличие
прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта очень важно для работы УЗ-
диагностических приборов. Для того чтобы направить УЗ-волну на тело пациента, необходимо
получить её, что делают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Для
того чтобы зарегистрировать и визуализировать отражённую УЗ-волну, необходимо
её превратить в электрическое поле, чего достигают с помощью прямого
пьезоэлектрического эффекта.
Особенности распространения УЗ-волн
1)
В однородной среде. При прохождении УЗ-волны интенсивностью I через слой
вещества шириной её интенсивность уменьшается и становится равной I =
I0·e-αd, где I0 – начальная интенсивность УЗ-волны; I – интенсивность
волны после прохождения через слой вещества, d – ширина слоя вещества, – α
коэффициент угасания волны.
Угасание
УЗ-волны вызвано двумя процессами: рассеянием энергии в тканях (связано с
клеточной неоднородностью органов) и её поглощением (связано с макромолекулярной
структурой тканей). Значение коэффициента угасания – важный диагностический
признак. Так, печень имеет малый коэффициент угасания УЗ-волн вследствие малого
коэффициента рассеяния. При циррозе эта величина резко возрастает.
Поглощение
тканями УЗ-волн – основа диагностики состояния внутренних органов по принципу
трансмиссии – анализа интенсивности волны, прошедшей через тело пациента, и
применения УЗ в терапии и хирургии.
2)
На границе двух сред. При попадании УЗ-волны интенсивностью на границу раздела
сред происходит отражение волны и поглощение волны.
Часть
энергии, которая будет заключена в отражённой волне, зависит от соотношения
акустических сопротивлений сред. Так на границе тело пациента- воздух
отражается почти 100% энергии. Поэтому, чтобы УЗ-волна попала в тело пациента
применяют специальные гели (цель – уменьшить перепад акустического
сопротивления сред).
Отражение
УЗ волны от неоднородностей и границ внутренних органов – основа диагностики их
состояния по принципу эхолокации – анализа интенсивности отражённой УЗ – волны.
УЗ – волна, направленная на тело пациента, называется зондирующим сигналом, а
отражённая УЗ-волна – эхосигналом.
Отражение
УЗ-волн также зависит от размера отражающих структур:
–
если размер отражающих структур сопоставим с длинной УЗ-волны, то будет
происходить дифракция волн, т.е. огибание волной структуры с последующим
рассеянием энергии в тканях и формированием УЗ-тени. Это ограничивает
разрешающую способность УЗ-диагностики;
–
если размер отражающих структур больше длины УЗ-волны, то последняя будет
отражаться, причём интенсивность эхосигнала будет зависеть от направления
зондирующего сигнала, формы и размера отражающих структур. Существуют так
называемые зеркальные структуры, амплитуда эхосигналов от которых имеет самые
большие значения (кровеносные сосуды, полости, границы органов и тканей).
В
целом, однако, интенсивность эхосигналов очень невелика, что требует для их
регистрации очень чувствительной аппаратуры, но, с другой стороны, определяет
проникновение УЗ-волн в более глубоколежащие внутренние структуры и
способствует их визуализации.
Применение ультразвука в диагностике
С
диагностической целью применяют УЗ-волны малой интенсивности, которые не
вызывают биологических эффектов в тканях, – до 0, 1 Вт на кв.см.
С
помощью УЗ-датчика на основе обратного пьезоэлектрического эффекта получают УЗ
зондирующий сигнал и принимают эхосигнал. Последний в датчике в результате
прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуется в переменное электрическое
поле, что позволяет зарегистрировать, усилить и визуализировать эхосигналы с
помощью электронной аппаратуры.
По
способу регистрации и отражения на экране электронных приборов эхосигналов
различают следующие режимы УЗ-сканирования:
–
А-режим (amplitude mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в электрическое
поле, вызывают вертикальное отклонение луча развёртки в форме пиков, амплитуда
которых будет зависеть от интенсивности отражённой УЗ-волны, а местоположение
на экране осциллографа – глубину залегания отражающей структуры в масштабе
измерительного устройства. Примером использования А-режима в медицине является
эхоэнцефалоскопия – методика УЗ-сканирования, используемая в неврологии и
нейрохирургии для диагностики объёмных поражений головного мозга (гематом, опухолевых
процессов и т.д.). Основные эхосигналы (максимальные по амплитуде) формируются
при отражении от черепной коробки в месте расположения датчика, срединных
структур, черепной коробки противоположной стороны. Смещение центрального пика
в правую или левую сторону может указывать на наличие патологии соответственно
левого или правого полушарий мозга.
–
В-режим (brightness mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в
электрическое поле, вызывают на экране свечение точек разной яркости: чем
большее колебание напряжённости электрического поля (что, в свою очередь, зависит
от интенсивности эхосигнала), тем более яркое и объёмное пятно образуется на
экране измерительного прибора. Для реализации режима используют
сложноустроенные датчики УЗ-волн, которые содержат множество элементов, излучающих
зондирующие стимулы и преобразующих эхосигналы. Направление зондирующих
сигналов также меняется. Электронная аппаратура накапливает данные исследования
одного и того же участка тела, полученных с помощью всех элементов датчика и в
разных направлениях, и, интегрируя их, формирует изображение исследуемого
органа в реальном режиме времени в масштабе измерительного устройства. Таким
образом можно получить двумерные эхотомограммы.
–
М-режим (motion mode). Позволяет получать эхограммы подвижных структур
организма. Как и при осуществлении А-режима, направление зондирующих сигналов
остаётся неизменным на протяжении всего времени исследования, однако
зондирование осуществляется многократно так, чтобы период формирования
М-эхограммы превышал период движения исследуемых структур и период формирования
А-эхограммы. Регистрируется изменение глубины залегания подвижной структуры во
времени (перемещение луча измерительного устройства вдоль оси х). Амплитуда
эхосигналов отображается в виде пятен различной яркости (как в режиме В). При
каждом последующем зондировании продольная эхограмма смещается на малую
величину в направлении, перпендикулярном оси изображения глубины (времени).
Чаще всего в клинике используется эхокардиография.
Взаимодействие
ультразвука с веществом. Применение ультразвука в терапии и хирургии.
УЗ
характеризуется следующими видами действия на вещество:
–
механическое действие. Оно связано с деформацией микроструктуры вещества
вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество
микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с
образованием полостей – кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние
жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества
энергии.
–
тепловое действие. Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и
выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде
тепла, что приводит к их нагреванию.
–
физико-химическое действие. Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ,
ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т.д.
На
комплексном действии механических, тепловых и физико-химических факторов
основано биологическое действие УЗ. Это действие будет определяться
интенсивностью УЗ-волны.
УЗ
малой и средней интенсивности (соответственно 1, 5 Вт на кв. см. и 3 Вт на
кв.см) вызывают в живых организмах позитивные эффекты, стимулирует протекание
нормальных физиологических процессов. Это основа использования УЗ в
физиотерапии. УЗ улучшает проницаемость клеточных мембран, активизирует все
виды транспорта через мембрану, влияет на скорость протекания биохимических
реакций.
Увеличение
интенсивности УЗ-волны приводит к разрушающему его действию на клетки. Это
используется для стерилизации медицинских помещений путём уничтожения
ультразвуком вирусов и клеток бактерий и грибков.
УЗ
высокой интенсивности широко используется в хирургии. Некоторые операции
проводятся с помощью ультразвукового скальпеля. Они безболезненны, сопровождаются
малыми кровотечениями, раны быстрее заживают, в том числе вследствие
стерилизации раны УЗ.
Широкое
использование имеет УЗ в ортопедии: для проведения некоторых операций на кости
применяется УЗ-пилка, УЗ применяется для соединения костей между собой и
скрепления с ними костных имплантантов.
Литотрипсия
– методика разрушения камней в почках и жёлчном пузыре с помощью направленного
действия УЗ волн большой интенсивности.
Эходоплерография
Эффект
Доплера – изменение частоты волн, которые воспринимаются приёмником вследствие
относительного движения источника волн и приёмника. Для вычисления частоты волн,
которые воспринимаются приемником, пользуются формулой:
,
где vприемн – частота волн, воспринимаемых приемником, vист – частота волн, испускаемых
источником, v0 – скорость волны, u0 – скорость движения приемника волн, uист –
скорость движения источника волн.
Верхние
знаки в числителе и знаменателе характеризуют случаи приближения друг к другу
источника и приёмника УЗ-волн, а нижние знаки – случаи отдаления источника и
приёмника УЗ-волн.
Эходоплерография
– методика исследования скорости кровотока и движения подвижных структур организма
(сердце и сосуды), основанная на применении эффекта Доплера.
В
мягкие ткани с помощью неподвижного датчика излучается УЗ-волна определённой
частоты ν , после чего регистрируют эхосигналы, отражённые от подвижных
элементов (главным образом, от эритроцитов крови) и имеющие вследствие эффекта
Доплера частоту ν“.
Доплеровский
эффект наблюдается дважды:
–
сначала датчик является источником волн частотой ν, а эритроцит –
приёмником. Вследствие движения эритроцит воспримет волну частотой ν`.
–
эритроцит отразит попавшую на него УЗ-волну частотой ν`, но датчик, к
которому вернётся эхосигнал, вследствие подвижности эритроцита воспримет его
частотой ν“.
Диагностическим
признаком является разность Δν = ν – ν“ , которая
называется доплеровским сдвигом частоты. Эта разность зависит от скорости
движения эритроцитов, т.е. и скорости кровотока в целом.
Доплеровский
сдвиг частот находиться в звуковом диапазоне и может быть услышан опытным
врачом с помощью специальных приспособлений. Существуют и более современные
методы визуализации доплеровского сдвига частот.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.all-fizika.com/
Дата добавления: 20.03.2012