K
Препоръчана за публикуване като курс от лекции по специалност "Ултразвукови изследвания" Образователно-методически съвет BelMAPO
Раздел 2.1. Физическа база на ултразвук.
2.1.1.
ТЕМА. Основните разпоредби на акустика.
1.Istoriya под въпрос използването на ултразвук в медицината.
2.Fizicheskie основи на акустика.
3.Fizicheskie аспекти на ултразвук, са намерили приложение в медицината.
1. Контекст използването на ултразвук в медицината.
Изследването на принципите на ултразвук диагноза изисква познаване на основните теоретични основи на акустика. Предполагам, че причината за грешки полет на прилепите в тъмното са недоловими за колебанията човешкото ухо язва-kovye, изразено в края на италиански ОТПАДЪЦИ XVI-ти век Спаланцани, обаче, за неговото практическо потвърждение отне половин век. Официалната история на проучването на ултразвук започва през 1880 г., когато виден физик Пиер Кюри, които работят с брат си Жак, открил явлението на пиезоелектричен ефект, същността на която се състои в над външния вид на лицата на кварц плоча по време на нейното свиване електрически заряди. Година по-късно, той е явление, наречено прякото пиезоелектричен ефект е теоретично обосновано с друг френски учен Г. Липман, който също е описано на принципа на обратния пиезоелектрически ефект пиезо-деформация под влияние на електрически потенциал разлика. В продължение на няколко десетилетия, тези находки не са получили адекватно признаване и прилагане. Само през 1916 г., тя започва практическото използване на ултразвуков уред -на подводници инсталирани първия ултразвуков сонар за откриване на вражески кораби.
През 1929 г. от руския учен S.Ya.Sokolovym ултразвукови Дефектоскопи бяха положени основите на изкуството и индустрията (откриване на скрити дефекти в метални изделия, бетонни блокове и други подобни). За това има специален ултразвуково устройство, след това работи като прототипи за медицински диагностични устройства. С тяхна помощ, както и някои опити да получат ултразвук информация за състоянието на вътрешните органи са извършени. Скоро, има първи, относително просто устройство за медицински устройства, работещи в режим на едномерна. Те дадоха възможност да експериментират и клиничната практика, за да видите снимката на жлъчния мехур камъни, абонирайте се компенсират междинни структури на мозъка, в присъствието на черепната хематом или тумори и др .. Успешно прилагане на ултразвукова диагностика инструмент в офталмологията започна в средата на 50-те, публикувано първото произведение на диагностика на тумори на гърдата. Този път е белязана от появата на устройства, които осигуряват двуизмерен (метод В), един образ на вътрешните органи (ултразвукова томография), както и теоретични и експериментални научни приложения доплерови системи в диагностика.
През следващите 15-20 години значително подобрени апарати, устройства са "сивата скала", като изображение с голям брой части и тънки градации структура, първият модел се разработва апарат бързо сканиране (в реално време). Постепенно образува форма модерен диагностичен апарат ултразвукова снабдена с голям брой взаимозаменяеми сензор с вградено в единици за измерване, изчисления на различни биологични параметри, и накрая, компютърната система за обработка на изображения.
2. Физически основи на акустика. ОБЛАСТ физични изследвания колебателно движение в еластичен (твърдо, течно или газообразно състояние) средни наречен акустика. Акустика първоначално възниква като наука, която изучава звука, т.е. изслушани от ухото, вибрациите. Но, сега обект на изследване са акустичните и други механични вибрации, които човешкото ухо не е на разположение поради много ниска (инфразвук) или висока (ултразвук) и свръхвисока (Хиперзвук) честота.
Ултразвуков вълна - това е най-звукови вибрации, които надхвърлят определен праг на честотата. звук гама чуваемост при хора на 20-20 000 Hz. Обхватът на черно-бели изображения ултразвук (режим на сивата скала) 2-15 MHz; Доплер честота е малко по-ниска.
диагностична апаратура, използвана от само една сравнително малка част от ултразвуковия диапазон. Това се дължи на факта, че високочестотните трептения не проникват дълбоко в честотите на тъкани и ниски, не е осигурено, гарантира, достатъчно добро качество на изображението, дължащи се на ниска резолюция. Най-високи работни честоти са сензори очни устройства, ниско - и ултразвукови остеометрия sinuscopy.
Доброто и ултра-, хипер- или инфразвук - в зависимост от честотата на трептенията наречен размножава като надлъжна вълна. Надлъжната вълна е периодична (дубликат) на средни частици назад и напред от равновесното положение. По този начин, някои частици се избута друг носител намира пред тях и да се върне на мястото. Такава вълна се нарича надлъжна защото движещите се средни частици е в посока на нарушаваща фактор на влияние, за разлика от напречни вълни където посока, перпендикулярна вибрациите частици действа сила.
Колебателно движение описва стойността на няколко параметри: амплитуда, по време, честота на трептене на вълната и други.
В тялото тъкани разпределени само надлъжни вълни, които се възвратно средни частици. Тъй като вълна е надлъжен променлив подналягане зона и компресиране на средата, честота на трептене е броят на компресии и rarefactions във времето за единица. Тази стойност се измерва в херца (Hz 1 + = един компресия подналягане в секунда). Периодът на осцилация - това е времето, през което компресия настъпва едно и едно подналягане, т.е. реципрочен честота на трептене.
където Т - колебание период, S;
е е честотата на трептене в Hz.
Дължина на вълната характеризира с разстоянието между съседните участъци с еднаква степен на вакуум или пресоване. Това разстояние вълна преминава през периода на осцилация.
дължина на вълната, честота, период и скоростта на разпространение на вибрации свързани проста връзка:
където X е дължината на вълната в метри;
V - скорост на разпространение на вълната, M / S;
F - честота на трептене в Hz;
Периодът на осцилация Т, в секунди, т.е.
тези стойности са обратнопропорционални при постоянна скорост на звука. Чрез увеличаване на честотата на вълната намалява, и обратно.
Скоростта на разпространение на вълната се определя като разстоянието, изминато от вълна в средата, в 1 секунда. Този параметър зависи главно от свойствата на средата (плътност, еднаквост), и само малък диапазон на промяна на температурата. температура на човешкото тяло е по същество постоянна, неговата колебание е няколко десети от степен не се влияят значително скоростта на ултразвук.
X-дължина на вълната (т); F-честота на трептене (MHz).
3. Физически аспекти на ултразвук, са намерили приложение в медицината. Скоростта, с която ултразвук разпространява в средата зависи от свойствата на средата, по-специално на неговата плътност. Скоростта на разпространение на ултразвук в човешки тъкани при температура 37 ° С е 1540 м / сек. За ултразвукова скорост 1540 м / сек, дължината на вълната е 0.44 мм при честота от 3,5 MHz и около 0.3 mm при честота от 5 MHz.
Ако плътността, структурата и идентичен температура през цялата среда, тази среда се нарича хомогенна. В хомогенна среда вълни се разпространяват линейно. Различни среди имат различни свойства, от които най-важна е акустичен импеданс за нас. Акустичното съпротивление е продукт на плътността на средата на скоростта на разпространение на звука в него, и характеризира степента на устойчивост на околната среда на звука се прилага вълна. Скоростта на разпространение на ултразвукови вълни в тъканите е практически постоянна, така акустичния импеданс ехокардиография - функция плътност на дадена тъкан. Различни тъкани: .. миокарда, перикард, кръв, вентили, клапи и т.н. - имат различна плътност. Дори и с малка разлика в плътностите на ефекта на "разделяне на фазите" настъпва между среди. Ултразвуков вълна, която е достигнала до границата на двете медии могат да бъдат отразени от границата или да мине през нея.
В този случай:
ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение;
поради разлики в акустичен импеданс на ъгъла на пречупване носители не е равен на ъгъла на падане.
Съотношението между ъгъла на падане (отражение) и ъгъл на пречупване описано с формулата:
където п - акустичния импеданс,
т - ъгълът между посоката на звукови вълни размножаване и нормалата на фазовата граница.
Колкото по-малък от ъгъла на падане (т. Е. близо посоката на разпространение на звуковата вълна на перпендикуляра), толкова по-голям дял на отразени звукови вълни.
Делът на отразената ултразвук се определя от три фактора:
разликата в акустично съпротивление на медиите - по-голяма е разликата, по-голямо отражение;
ъгъл на падане - колкото по-близо е до 90 °, по-отражение;
съотношение на размера на обект и дължина на вълната - от размерите на обект трябва да бъде най-малко 1/4 дължина на вълната. ултразвук изисква по-голяма честота на малки обекти за измерване (т. е. къса дължина на вълната).
Пространствената разделителна способност на метода определя разстоянието между два обекта, в които те все още могат да се различат. Например, честотата на 2.0 MHz дава разделителната способност от 1 mm. Въпреки това, колкото по-висока честотата, толкова по-проникваща способност ултразвук (дълбочина на проникване): по-лесно е неговото затихване. Така, че е важно да се намери оптималната честота, което дава максимална резолюция с достатъчно способност проникване. Таблица. показва стойности на "полуразпад" за различни среди, т.е.. е. разстоянието, на което ултразвукови вълни с честота от 2,0 MHz губят половината от енергия.
Таблица 1. Стойностите на полу-затихване на ултразвукови вълни с честота от 2,0 MHz в различни медии
Структури, в които има пълно затихване на ултразвукови вълни, с други думи, чрез които ултразвук не може да проникне, дай зад акустична сянка (затъмнение).
Амплитудата на колебание е разстоянието от които осцилиращи средни частици се отклоняват от положение на покой. амплитуда стойност зависи от еластичните свойства на средата и силата на ултразвукова вълна. Силата на ултразвукова вълна - енергията, която се предава чрез заобикалящата емитер повърхност за единица време. Тя се измерва в конвенционални агрегати - вата (W).
Въпреки това, по-важно за жива тъкан характеристика е интензитетът на ултразвукова радиация, която се дефинира като енергия за единица площ (W / m2 или w / cm2). За пълна гаранция за липсата на странични ефекти върху тялото на ултразвук, тази цифра не трябва да надвишава 0,05 W / cm2.
Размножаване на надлъжни вълни в тъканите не е придружено от прехвърлянето на материята маса в пространството, но води до пренос на енергия. Количеството предава енергия като вълна се разпространява намалява, тъй като се появява с абсорбция и прехвърляне отражение механична енергия в топлина. Този ефект е напълно незначителен на малки нива на диагностична интензивност ултразвук, е основният фактор за физиотерапия ултразвукови устройства. дълбочина на проникване вълна се определя от не само силата, но и честотата на ултразвуковата вибрация, и еластичните свойства на средата, в която те се отделят. От една страна, по-малко от дължината на вълната (т.е. по-висока честота), по посока, съсредоточени, е радиация; от друга - по-висока честота на трептене, толкова по-малка ще бъде дълбочината на проникване на ултразвукови вълни в тъканта на тялото. Високите честоти се абсорбират по-бързо от по-малките. Ниски честоти по-добре проникват тъкани. От голямо значение е контактът на кожата, гелът и сензора. Ако обектът на изследване е твърде повърхностно активно вещество, можете да използвате специален уплътнител за даден тип сензор.
Използват за диагностични цели ултразвукови честоти (приблизително в обхвата от 2 до 15 MHz) позволява да се получат тесните лъчи на ултразвуково излъчване, преминаваща през с малка дивергенция на човешкото тяло тъкан. Намаляване на различията в ултразвуковия лъч специален "се фокусира обектива". В този случай, честотните 2-3.5 MHz осигуряват визуализация на дълбочина 15-20 см, с работна честота от 7,5 MHz сензор - само повърхностни структури на тялото (не повече от 4-5 см). При високи честоти, дължината на вълната е по-малък. По-късите дължини на вълните дават възможност да се направи разграничение между отразяващи обекти, разположени на близко разстояние. Следователно, използването на по-високи честоти по-висока резолюция, но по-малко проникваща способност.
Тъкани могат да абсорбират (превръща в топлина), пречупват (огъват като светлинни вълни), разсейване и отразяват звукови вълни. Дифузно отражение може да бъде (както в прожекционния екран) или огледало (като огледало).
Отражение на ултразвукови вълни е основният принцип на съвременната диагностика ултразвуков апарат, работещ в режим на ехолокация. Част от посоката на дълбочината на ултразвукови вълни енергията се отразява на границата на тъкан нехомогенности вътрешна структура на органи и тъкани и причинява пиезоелектричен датчик елемент microstrain и поява него (на принципа на директно пиезоелектрически ефект) електрически импулс показателно за вътрешната структура на изследваната област.
Когато акустичен импеданс близки стойности много на ултразвукова енергия преминава през границата между двете медии. Въпреки това, настоящият апарат е в състояние да възпроизвежда върху отражението на екрана на по-малко от 1% от капацитета си. Отражение ще бъде пряко пропорционална на разликата в звуков импеданс на граничната повърхност на двете нехомогенни медиите (тъкани). Акустичното съпротивление зависи от скоростта на плътност тъкан и размножаване на ултразвук в него. Тя се изразява с формулата:
Z - акустични импеданс кг / м2 / и,
P - кг средна плътност / m3
Тъй - ултразвукова скорост, м / сек.
Коефициентът на отражение се определя лесно, ако акустичен импеданс на първия и втория медиите:
Ра - коефициент на отражение амплитуда,
Z1 и Z2 - акустични импеданс среда.
Ясно е, че по-голямата разлика между акустичните импеданси на двете медии, по-голямата част от енергийните вълни се отразяват в интерфейса. Ето защо в областта на изследванията е толкова важно да се създаде акустичен слой между сензора и на кожата, което води специална контактна грес, добро проводящ ултразвукови вибрации и по този начин да се намали отражението. Най-малката въздушна междина води до почти пълно отражение на ултразвукова вълна и невъзможността за получаване на всяка диагностична информация.
Абсорбцията представлява количеството енергия на ултразвукови вълни, които се губи въз основа на определено количество тъкан, през който преминава вълна. Този процес е пропорционално на: определено количество енергия се губи по време на преминаването на звука на дадена дълбочина. процент загуба също е обратно пропорционална на честотата: колкото по-висока честотата, толкова по-бързо загубата. Децибели определена звукова енергия в логаритмична скала, така че загубата на около 3 db означава, че звуковата енергия е 2 пъти по-слаби. Скоростта на абсорбция зависи от типа на тъкан и средната стойност е около 0.5-1 db / см / MHz. Следователно, за вълна с честота от 5 MHz се губи 2.5-5 db / cm на звуковата енергия, т.е. половината вълна енергия на сантиметър.
ТЕМА. Методи за получаване на ехографски изображения.
1. Получаване на ултразвукови вибрации.
2. Основни методи за ехолокация, използвани в медицината.
1. Получаване на ултразвукови вибрации. За ултразвукови вибрации в техническите и медицинските изделия, които използват обратния пиезоелектричен ефект - трептения на пиезо плоча под въздействието на електрически ток.
Не по-малко важно за работата на апарата е на принципа на прякото пиезоелектричен ефект. Информация за вътрешната структура на човешки органи и тъкани на тялото се предава от отражение от тези ултразвукови вълни. В неговото въздействие върху сензора за пиезо оформен в него електрически заряди, които след необходимите промени, за да формират изображение на екрана.
основния сензор елемент е тънка пластина от материал с пиезоелектрични свойства. В момента на този материал не са естествени (кварц) и получен от изкуствени материали (олово титанати, барий, и т.н.). Когато обобщаване на лицата на потенциална разлика възниква деформация на плочата - разширяване или свиване в зависимост от полярността на електрически заряд. Този феномен е известен като обратен пиезоелектрически ефект.
Честотата на трептенията на плочата зависи от свойствата на материала, от който е направен, неговата дебелина и други подобни Колкото по-тънък пиезоелектрически елемент, толкова по-висока резонансна честота.
За честоти с дебелина 10-15 MHz плоча е само няколко микрометра (микрона). Времето, през което напрежението се прилага към плочата се измерва franctions и само през това време елемент пиезо предава антена -izluchaet ултразвукови вибрации дълбоките тъкани. Основан електрически потенциал разлика причинява трептенията на пиезо плочи, което служи като източник на ултразвукови вълни. Той отразява част от енергията на вълната причинява деформация на плочата и появата на електрическите заряди по ръбовете.