Скорость ультразвуковой волны. Физические принципы ультразвуковой визуализации тканей и органов человека. Контроль качества работы ультразвуковой аппаратуры

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике, написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики Российской медицинской академии после­дипломного образования (CD 2001 г) под ред.Митькова В.В.

(Статья обнаружена на просторах Интернета)

1. Физические свойства ультразвука
2. Отражение и рассеивание
3. Датчики и ультразвуковая волна
4. Приборы медленного сканирования
5. Приборы быстрого сканирования
6. Приборы для допплерографии
7. Артефакты
8. Контроль качества работы ультразвуковой аппаратуры
9. Биологическое действие ультразвука и безопасность
10. Новые направления в ультразвуковой диагностике
11. Литература
12. Тестовые вопросы

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКА

Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека. Собственно получение изображения можно разделить на две части. Первая - излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани, и второе - формирование изображения на основе отраженных сигналов. Понимание принципа работы ультразвуковой диагностической установки, знание основ физики ультразвука и его взаимодействия с тканями тела человека помогут избежать механического, бездумного использования прибора, и, следовательно, более грамотно подходить к процессу диагностики.

Звук - это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рис. 1. Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда - он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения - средой, а длина волны - и источником звука, и средой. Частота - это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2. Частота ультразвуковой волны 2 цикла в 1 с = 2 Гц

Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц - это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Что же делает звук "ультра"? Это частота. Верхняя граница слышимого звука - 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) - является нижней границей ультра­звукового диапазона. Ультра­звуковые локаторы летучих мышей работают в диапазоне 25÷500 кГц. В современных ультра­звуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше. Период - это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний (рис. 3).

Рис. 3. Период ультразвуковой волны.

Единицами измерения периода являются секунда (с) и микросекунда (мкс). Одна микросекунда является одной миллионной долей секунды. Период (мкс) = 1/частота (МГц). Длина волны - это длина, которую занимает в пространстве одно колебание (рис. 4).

Рис. 4. Длина волны.

Единицы измерения - метр (м) и миллиметр (мм). Скорость распространения ультразвука - это скорость, с которой волна перемещается в среде. Единицами скорости распространения ультразвука являются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микросекунду (мм/мкс). Скорость распространения ультразвука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности срелы. В таблице 2.1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека.

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с - на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов. Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением: С = f × λ. Так как в нашем случае скорость считается постоянной (1540 м/с), то оставшиеся две переменные f и λ связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объектов, которые мы можем увидеть. Еще одним важным параметром среды является акустическое сопротивление (Z). Акустическое сопротивление - это произведение значения плотности среды и скорости распространения ультразвука. Сопротивление (Z) = плотность (р) × скорость распространения (С).

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается трансдьюсером непрерывно (постоянной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. Частота повторения импульсов - это число импульсов, излучаемых в единииу времени (секунду). Частота повторения импульсов из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Продолжительность импульса - это временная протяженность одного импульса (рис. 5).

Рис. 5. Продолжительность ультразвукового импульса.

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мкс). Фактор занятости - это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импульсов) ультразвука. Пространственная протяженность импульса (ППИ) - это длина пространства, в котором размещается один ультразвуковой импульс (рис. 6).

Рис. 6. Пространственная протяженность импульса.

Для мягких тканей пространственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1,54 (скорость распространения ультразвука в мм/мкс) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f. Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колебаний в импульсе или увеличения частоты. Амплитуда ультразвуковой волны - это максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения (рис. 7).

Рис. 7. Амплитуда ультразвуковой волны

Интенсивность ультразвука - это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см). При равной мощности излучения чем меньше площадь потока, тем выше интенсивность. Интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ультразвука, во времени.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием. Единицей затухания является децибел (дБ). Коэффициент затухания - это ослабление ультразвукового сигнала на единииу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях и уменьшение интенсивности эхосигнала в зависимости от частоты представлены в таблице 2.2.

ОТРАЖЕНИЕ И РАССЕИВАНИЕ

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения. В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под углом) падения ультразвукового луча. При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется (рис. 8).

Рис. 8. Перпендикулярное падение ультразвукового луча.

Интенсивность отраженного ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зависит от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом отражения. Отношение интенсивности ультразвуковой волны, прошедшей через границу сред, к интенсивности падающей волны называется коэффициентом проведения ультразвука. Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одинаковое акустическое сопротивление - отражения ультразвука не будет. С другой стороны, при большой разнице акустических сопротивлений интенсивность отражения стремится к 100%. Примером этого служит граница воздух/мягкие ткани. На границе этих сред происходит практически полное отражение ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды (гель). При наклонном падении ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и угол преломления (рис. 9).

Рис. 9. Отражение, преломление.

Угол падения равен углу отражения. Преломление - это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука. Синус угла преломления равен произведению синуса угла падения на величину, полученную от деления скорости распространения ультразвука во второй среде на скорость в первой. Синус угла преломления, а, следовательно, и сам угол преломления тем больше, чем больше разность скоростей распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол падения равен 0. Говоря об отражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение (описанное выше). В случае, если длина волны сопоставима с неровностями отражающей поверхности или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание ультразвука.

Рис. 10. Обратное рассеивание.

При обратном рассеивании (рис. 10) ультразвук отражается в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты (т.е. уменьшением длины волны) ультразвука. Рассеивание относительно мало зависит от направления падающего луча и, следовательно, позволяет лучше визуализировать отражающие поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Для того, чтобы отраженный сигнал был правильно расположен на экране, необходимо знать не только направление излученного сигнала, но и расстояние до отражателя. Это расстояние равно 1/2 произведения скорости ультразвука в среде на время между излучением и приемом отраженного сигнала (рис. 11). Произведение скорости на время делится пополам, так как ультразвук проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад), а нас интересует только расстояние от излучателя до отражателя.

Рис. 11. Измерение расстояния с помощью ультразвука.

ДАТЧИКИ И УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОЛНА

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи - трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рис. 12).

Рис. 12. Обратный пьезоэлектрический эффект.

С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная частота} определяется отношением скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте (рис. 13).

Рис. 13. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик. Обычно в ультразвуковых приборах для излучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы. Поэтому термины "преобразователь", "трансдьюсер", "датчик" являются синонимами. Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства и, в зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для приборов медленного сканирования (одноэлементные) и быстрого сканирования (сканирования в реальном времени) - механические и электронные. Механические датчики могут быть одно- и многоэлементные (анулярные). Развертка ультразвукового луча может достигаться за счет качания элемента, вращения элемента или качания акустического зеркала (рис. 14).

Рис. 14. Механические секторные датчики.

Изображение на экране в этом случае имеет форму сектора (секторные датчики) или окружности (круговые датчики). Электронные датчики являются многоэлементными и в зависимости от формы получаемого изображения могут быть секторными, линейными, конвексными (выпуклыми) (рис. 15).

Рис. 15. Электронные многоэлементные датчики.

Развертка изображения в секторном датчике достигается за счет качания ультразвукового луча с его одновременной фокусировкой (рис. 16).

Рис. 16. Электронный секторный датчик с фазированной антенной.

В линейных и конвексных датчиках развертка изображения достигается путем возбуждения группы элементов с пошаговым их перемещением вдоль антенной решетки с одновременной фокусировкой (рис. 17).

Рис. 17. Электронный линейный датчик.

Ультразвуковые датчики в деталях отличаются устройством друг от друга, однако их принципиальная схема представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Устройство ультразвукового датчика.

Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного излучения образует ультразвуковое поле, форма которого меняется в зависимости от расстояния (рис. 19).

Рис. 19. Два поля нефокусированного трансдьюсера.

Иногда могут наблюдаться дополнительные ультразвуковые "потоки", получившие названия боковых лепестков. Расстояние от диска на длину протяженности ближнего поля (зоны) называется ближней зоной. Зона за границей ближней называется дальней. Протяженность ближней зоны равна отношению квадрата диаметра трансдьюсера к 4 длинам волны. В дальней зоне диаметр ультразвукового поля увеличивается. Место наибольшего сужения ультразвукового луча называется зоной фокуса, а расстояние между трансдьюсером и зоной фокуса - фокусным расстоянием. Существуют различные способы фокусировки ультразвукового луча. Наиболее простым способом фокусировки является акустическая линза (рис. 20).

Рис. 20. Фокусировка с помощью акустической линзы.

С ее помощью можно сфокусировать ультразвуковой луч на определенной глубине, которая зависит от кривизны линзы. Данный способ фокусировки не позволяет оперативно изменять фокусное расстояние, что неудобно в практической работе. Другим способом фокусировки является использование акустического зеркала (рис. 21).

Рис. 21. Фокусировка с помощью акустического зеркала.

В этом случае, изменяя расстояние между зеркалом и трансдьюсером, мы будем менять фокусное расстояние. В современных приборах с многоэлементными электронными датчиками основой фокусировки является электронная фокусировка (рис. 17). Имея систему электронной фокусировки, мы можем с панели прибора изменять фокусное расстояние, однако, для каждого изображения мы будем иметь только одну зону фокуса. Так как для получения изображения используются очень короткие ультразвуковые импульсы, излучаемые 1000 раз в секунду (частота повторения импульсов 1 кГц), то 99,9% времени прибор работает как приемник отраженных сигналов. Имея такой запас времени, возможно запрограммировать прибор таким образом, чтобы при первом получении изображения была выбрана ближняя зона фокуса (рис. 22) и информация, полученная с этой зоны, была сохранена.

Рис. 22. Способ динамической фокусировки.

Далее - выбор следующей зоны фокуса, получение информации, сохранение. И так далее. В результате получается комбинированное изображение, сфокусированное по всей глубине. Следует, правда, отметить, что такой способ фокусировки требует значительных временных затрат на получение одного изображения (кадра), что вызывает уменьшение частоты кадров и мерцание изображения. Почему же столько усилий прикладывается для фокусировки ультразвукового луча? Дело в том, что чем уже луч, тем лучше боковая (латеральная, по азимуту) разрешающая способность. Боковая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными перпендикулярно направлению распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 23).

Рис. 23. Способ динамической фокусировки.

Боковая разрешающая способность равна диаметру ультразвукового луча. Осевая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными вдоль направления распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 24).

Рис. 24. Осевая разрешающая способность: чем короче ультразвуковой импульс, тем она лучше.

Осевая разрешающая способность зависит от пространственной протяженности ультразвукового импульса - чем короче импульс, тем лучше разрешение. Для укорочения импульса используется как механическое, так и электронное гашение ультразвуковых колебаний. Как правило, осевая разрешающая способность лучше боковой.

ПРИБОРЫ МЕДЛЕННОГО СКАНИРОВАНИЯ

В настоящее время приборы медленного (ручного, сложного) сканирования представляют лишь исторический интерес. Морально они умерли с появлением приборов быстрого сканирования (приборов, работающих в реальном времени). Однако их основные компоненты сохраняются и в современных приборах (естественно, с использованием современной элементной базы). Сердцем является главный генератор импульсов (в современных аппаратах - мощный процессор), который управляет всеми системами ультразвукового прибора (рис. 25).

Рис. 25. Блок-схема ручного сканера.

Генератор импульсов посылает электрические импульсы на трансдьюсер, который генерирует ультразвуковой импульс и направляет его в ткани, принимает отраженные сигналы, преобразовывая их в электрические колебания. Эти электрические колебания далее направляются на радиочастотный усилитель, к которому обычно подключается временно-амплитудный регулятор усиления (ВАРУ) - регулятор компенсации тканевого поглощения по глубине. Ввиду того, что затухание ультразвукового сигнала в тканях происходит по экспоненциальному закону, яркость объектов на экране с увеличением глубины прогрессивно падает (рис. 26).

Рис. 26. Компенсация тканевого поглощения.

Использование линейного усилителя, т.е. усилителя, пропорционально усиливающего все сигналы, привело бы к переусилению сигналов в непосредственной близости от датчика при попытке улучшения визуализации глубоко расположенных объектов. Использование логарифмических усилителей позволяет решить эту проблему. Ультразвуковой сигнал усиливается пропорционально времени задержки его возвращения - чем позже вернулся, тем сильнее усиление. Таким образом, применение ВАРУ позволяет получить на экране изображение одинаковой яркости по глубине. Усиленный таким образом радиочастотный электрический сигнал подается затем на демодулятор, где он выпрямляется и фильтруется и еще раз усиленный на видеоусилителе подается на экран монитора.

Для сохранения изображения на экране монитора необходима видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые мониторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной форме. Устройство, называемое дискриминатором, позволяло изменять порог дискриминации - сигналы, интенсивность которых была ниже порога дискриминации, не проходили через него и соответствующие участки экрана оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог дискриминации, представлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависела от абсолютного значения интенсивности отраженного сигнала - все белые точки имели одинаковую яркость. При таком способе представления изображения - он получил название «бистабильный» - хорошо были видны границы органов и структуры с высокой отражающей способностью (например, почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных органов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов, которые позволяли передавать на экране монитора оттенки серого цвета, знаменовало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информацию, которая была недостижима при использовании приборов с бистабильным изображением. Развитие компьютерной техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изображений к цифровым. Цифровые изображения в ультразвуковых установках формируются на больших матрицах (обычно 512 × 512 пикселов) с числом градаций серого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на глубину 20 см на матрице 512 × 512 пикселов один пиксел будет соответствовать линейным размерам в 0,4 мм. На современных приборах имеется тенденция к увеличению размеров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса 12-дюймовый (30 см по диагонали) экран становится обычным явлением.

Электронно-лучевая трубка ультразвукового прибора (дисплей, монитор) использует остро сфокусированный пучок электронов для получения яркого пятна на экране, покрытом специальным фосфором. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно перемещать по экрану.

При А-типе развертки (Amplitude) по одной оси откладывается расстояние от датчика, по другой - интенсивность отраженного сигнала (рис. 27).

Рис. 27. А-тип развертки сигнала.

В современных приборах А-тип развертки практически не используется.

В-тип развертки (Brightness - яркость) позволяет вдоль линии сканирования получить информацию об интенсивности отраженных сигналов в виде различия яркости отдельных точек, составляющих эту линию.

Пример экрана: слева развёртка B , справа - M и кардиограмма.

М-тип (иногда ТМ) развертки (Motion - движение) позволяет регистрировать движение (перемещение) отражающих структур во времени. При этом по вертикали регистрируются перемещения отражающих структур в виде точек различной яркости, а по горизонтали - смещение положения этих точек во времени (рис. 28).

Рис. 28. М-тип развертки.

Для получения двумерного томографического изображения необходимо тем или иным образом произвести перемещение линии сканирования вдоль плоскости сканирования. В приборах медленного сканирования это достигалось перемещением датчика вдоль поверхности тела пациента вручную.

ПРИБОРЫ БЫСТРОГО СКАНИРОВАНИЯ

Приборы быстрого сканирования, или, как их чаще называют, приборы, работающие в реальном времени, в настоящее время полностью заменили приборы медленного, или ручного, сканирования. Это связано с целым рядом преимуществ, которыми обладают эти приборы: возможность оценивать движение органов и структур в реальном времени (т.е. практически в тот же момент времени); резкое уменьшение затрат времени на исследование; возможность проводить исследования через небольшие акустические окна.

Если приборы медленного сканирования можно сравнить с фотоаппаратом (получение неподвижных изображений), то приборы, работающие в реальном времени - с кино, где неподвижные изображения (кадры) с большой частотой сменяют друг друга, создавая впечатление движения.

В приборах быстрого сканирования используются, как уже говорилось выше, механические и электронные секторные датчики, электронные линейные датчики, электронные конвексные (выпуклые) датчики, механические радиальные датчики.

Некоторое время назад на ряде приборов появились трапециевидные датчики, поле зрения которых имело трапециевидную форму, однако, они не показали преимуществ относительно конвексных датчиков, но сами имели целый ряд недостатков.

В настоящее время наилучшим датчиком для исследования органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза является конвексный. Он обладает относительно небольшой контактной поверхностью и очень большим полем зрения в средней и дальней зонах, что упрощает и ускоряет проведение исследования.

При сканировании ультразвуковым лучом результат каждого полного прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количества вертикальных линий (рис. 29).

Рис. 29. Формирование изображения отдельными линиями.

Каждая линия - это как минимум один ультразвуковой импульс. Частота повторения импульсов для получения серошкального изображения в современных приборах составляет 1 кГц (1000 импульсов в секунду).

Существует взаимосвязь между частотой повторения импульсов (ЧПИ), числом линий, формирующих кадр, и количеством кадров в единицу времени: ЧПИ = число линий × частота кадров .

На экране монитора качество получаемого изображения будет определяться, в частности, плотностью линий. Для линейного датчика плотность линий (линий/см) является отношением числа линий, формирующих кадр, к ширине части монитора, на котором формируется изображение.

Для датчика секторного типа плотность линий (линий/градус) - отношение числа линий, формирующих кадр, к углу сектора.

Чем выше частота кадров, установленная в приборе, тем (при заданной частоте повторения импульсов) меньше число линий, формирующих кадр, меньше плотность линий на экране монитора, ниже качество получаемого изображения. Зато при высокой частоте кадров мы имеем хорошее временное разрешение, что очень важно при эхо­кардио­графичес­ких исследованиях.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ДОППЛЕРОГРАФИИ

Ультразвуковой метод исследования позволяет получать не только информацию о структурном состоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах. В основе этой способности лежит эффект Допплера - изменение частоты принимаемого звука при движении относительно среды источника или приемника звука или тела, рассеивающего звук. Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной. Следовательно, если источник звука движется с постоянной скоростью, звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая снижение частоты звука (рис. 30).

Рис. 30. Эффект Допплера.

Путем сопоставления исходной частоты ультразвука с измененной возможно определить долллеровский сдвиг и рассчитать скорость. Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источник ультразука может быть неподвижным (ультразвуковой датчик), а в качестве отражателя ультразвуковых волн могут выступать движущиеся эритроциты. Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука). В том случае, если направление падения ультразвукового луча не параллельно направлению движения отражателя, необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла q между падающим лучом и направлением движения отражателя (рис. 31).

Рис. 31. Угол между падающим лучом и направлением тока крови.

Для получения допплеровской информации применяются два типа устройств - постоянно­волновые и импульсные. В постоянно­волновом допплеровском приборе датчик состоит из двух трансдьюсеров: один из них постоянно излучает ультразвук, другой постоянно принимает отраженные сигналы. Приемник определяет допплеровский сдвиг, который обычно составляет-1/1000 частоты источника ультразвука (слышимый диапазон) и передает сигнал на громкоговорители и, параллельно, на монитор для качественной и количественной оценки кривой. Постоянно­волновые приборы детектируют кровоток почти по всему ходу ультразвукового луча или, другими словами, имеют большой контрольный объем. Это может вызвать получение неадекватной информации при попадании в контрольный объем нескольких сосудов. Однако большой контрольный объем бывает полезен при расчете падения давления при стенозе клапанов сердца.

Для того, чтобы оценить кровоток в какой-либо конкретной области, небходимо разместить контрольный объем в исследуемой области (например, внутри определенного сосуда) под визуальным контролем на экране монитора. Это может быть достигнуто при использовании импульсного прибора. Существует верхний предел допплеровского сдвига, который может быть детектирован импульсными приборами (иногда его называют пределом Найквиста). Он составляет примерно 1/2 частоты повторения импульсов. При его превышении происходит искажение допплеровского спектра (aliasing). Чем выше частота повторения импульсов, тем больший допплеровский сдвиг может быть определен без искажений, однако тем ниже чувствительность прибора к низко­скоростным потокам.

Ввиду того, что ультразвуковые импульсы, направляемые в ткани, содержат большое количество частот помимо основной, а также из-за того, что скорости отдельных участков потока неодинаковы, отраженный импульс состоит из большого количества различных частот (рис. 32).

Рис. 32. График спектра ультразвукового импульса.

С помощью быстрого преобразования Фурье частотный состав импульса может быть представлен в виде спектра, который может быть изображен на экране монитора в виде кривой, где по горизонтали откладываются частоты допплеровского сдвига, а по вертикали - амплитуда каждой составляющей. По допплеровскому спектру возможно определять большое количество скоростных параметров кровотока (максимальная скорость, скорость в конце диастолы, средняя скорость и т.д.), однако эти показатели являются угол­зависимыми и их точность крайне зависит от точности коррекции угла. И если в крупных неизвитых сосудах коррекция угла не вызывает проблем, то в мелких извитых сосудах (сосуды опухоли) определить направление потока достаточно сложно. Для решения этой проблемы был предложен ряд почти угол­независимых индексов, наиболее рас­простра­нен­ными из которых являются индекс резистентности и пульсаторный индекс. Индекс резистентности является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к максимальной скорости потока (рис. 33). Пульсаторный индекс является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к средней скорости потока.

Рис. 33. Расчет индекса резистентности и пульсаторного индекса.

Получение допплеровского спектра с одного контрольного объема позволяет оценивать кровоток в очень небольшом участке. Цветовая визуализация потоков (цветовое допплеровское картирование) позволяет получать двумерную информацию о кровотоках в реальном времени в дополнение к обычной серошкальной двумерной визуализации. Цветовая допплеровская визуализация расширяет возможности импульсного принципа получения изображения. Сигналы, отраженные от неподвижных структур, распознаются и представляются в серошкальном виде. Если отраженный сигнал имеет частоту, отличную от излученного, то это означает, что он отразился от движущегося объекта. В этом случае производится определение допплеровского сдвига, его знак и величина средней скорости. Эти параметры используются для определения цвета, его насыщенности и яркости. Обычно направление потока к датчику кодируется красным, а от датчика - синим цветом. Яркость цвета определяется скоростью потока.

В последние годы появился вариант цветового допплеровского картирования, получивший название "энергетического допплера" (Power Doppler). При энергетическом допплере определяется не значение допплеровского сдвига в отраженном сигнале, а его энергия. Такой подход позволяет повысить чувствительность метода к низким скоростям, сделать его почти угол­независимым, правда, ценой потери возможности определения абсолютного значения скорости и направления потока.

АРТЕФАКТЫ

Артефакт в ультразвуковой диагностике - это появление на изображении несуществующих структур, отсутствие существующих структур, неправильное расположение структур, неправильная яркость структур, неправильные очертания структур, неправильные размеры структур. Реверберация, один из наиболее часто встречающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или более отражающими поверхностями. При этом часть энергии ультразвукового импульса многократно отражается от этих поверхностей, каждый раз частично возвращаясь к датчику через равные промежутки времени (рис. 34).

Рис. 34. Реверберация.

Результатом этого будет появление на экране монитора несуществующих отражающих поверхностей, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удается изменением положения датчика. Вариантом реверберации является артефакт, получивший название "хвост кометы". Он наблюдается в том случае, когда ультразвук вызывает собственные колебания объекта. Этот артефакт часто наблюдается позади мелких пузырьков газа или мелких металлических предметов. Ввиду того, что далеко не всегда весь отраженный сигнал возвращается к датчику (рис. 35), возникает артефакт эффективной отражательной поверхности, которая меньше реальной отражательной поверхности.

Рис. 35. Эффективная отражательная поверхность.

Из-за этого артефакта определяемые с помощью ультразвука размеры конкрементов обычно немного меньше, чем истинные. Преломление может вызывать неправильное положение объекта на полученном изображении (рис. 36).

Рис. 36. Эффективная отражательная поверхность.

В том случае, если путь ультразвука от датчика к отражающей структуре и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображении. Зеркальные артефакты - это появление объекта, находящегоя по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны (рис. 37).

Рис. 37. Зеркальный артефакт.

Зеркальные артефакты часто возникают около диафрагмы.

Артефакт акустической тени (рис. 38) возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами. Механизм образования акустической тени аналогичен формированию оптической.

Рис. 38. Акустическая тень.

Артефакт дистального лсевдоусиления сигнала (рис. 39) возникает позади слабо поглощающих ультразвук структур (жидкостные, жидкостьсодержащие образования).

Рис. 39. Дистальное псевдоусиление эха.

Артефакт боковых теней связан с преломлением и, иногда, интерференцией ультразвуковых волн при падении ультразвукового луча по касательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохождения ультразвука в которой существенно отличается от окружающих тканей (рис. 40).

Рис. 40. Боковые тени.

Артефакты, связанные с неправильным определением скорости ультразвука, возникают из-за того, что реальная скорость распространения ультразвука в той или иной ткани больше или меньше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запрограммирован прибор (рис. 41).

Рис. 41. Искажения из-за различия в скорости проведения ультразвука (V1 и V2) различными средами.

Артефакты толщины ультразвукового луча - это появление, главным образом в жидкостьсодержащих органах, пристеночных отражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может одновременно формировать изображение органа и изображение рядом расположенных структур (рис. 42).

Рис. 42. Артефакт толщины ультразвукового луча.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Контроль качества ультразвукового оборудования включает в себя определение относительной чувствительности системы, осевой и боковой разрешающей способностей, мертвой зоны, правильности работы измерителя расстояния, точности регистрации, правильности работы ВАРУ, определение динамического диапазона серой шкалы и т.д. Для контроля качества работы ультразвуковых приборов используются специальные тест-объекты или тканево-эквивалентные фантомы (рис. 43). Они являются коммерчески доступными, однако в нашей стране мало распространены, что делает практически невозможным провести поверку ультразвукового диагностического оборудования на местах.

Рис. 43. Тест-объект Американского института ультразвука в медицине.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА И БЕЗОПАСНОСТЬ

Биологическое действие ультразвука и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Знания о биологическом воздействии ультразвука базируются на изучении механизмов воздействия ультразвука, изучении эффекта воздействия ультразвука на клеточные культуры, экспериментальных исследованиях на растениях, животных и, наконец, на эпидемиологических исследованиях.

Ультразвук может вызывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты. Кавитация - это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна. Так вреден ультразвук или нет?

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука в медицине следующее заявление, которое в последний раз было подтверждено в 1993 году:

"Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентов или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением (ультразвуком), интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует".

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Происходит бурное развитие ультразвуковой диагностики, постоянное совершенствование ультразвуковых диагностических приборов. Можно предположить несколько основных направлений будущего развития этого диагностического метода.

Возможно дальнейшее совершенствование допплеровских методик, особенно таких, как энергетический допплер, допплеровская цветовая визуализация тканей.

Трехмерная эхография в будущем может стать весьма важным направлением ультразвуковой диагностики. В настоящий момент существуют несколько коммерчески доступных ультразвуковых диагностических установок, позволяющих проводить трехмерную реконструкцию изображений, однако, пока клиническое значение этого направление остается неясным.

Концепция применения ультразвуковых контрастов была впервые выдвинута R.Gramiak и P.M.Shah в конце шестидесятых при эхокардиографическом исследовании. В настоящее время существует коммерчески доступный контраст "Эховист" (Шеринг), применяемый для визуализации правых отделов сердца. Недавно он был модифицирован с уменьшением размеров частиц контраста и может рециркулировать в кровеносной системе человека ("Левовист", Шеринг). Этот препарат существенно улучшает допплеровский сигнал, как спектральный, так и цветовой, что может оказаться существенным для оценки опухолевого кровотока.

Внутриполостная эхография с использованием ультратонких датчиков открывает новые возможности для исследования полых органов и структур. Однако в настоящее время широкое применение этой методики ограничивается высокой стоимостью специализированных датчиков, которые к тому же могут применяться для исследования ограниченное число раз (1÷40).

Компьютерная обработка изображений с целью объективизации получаемой информации является перспективным направлением, которое может в будущем улучшить точность диагностики незначительных структурных изменений в паренхиматозных органах. К сожалению, полученные к настоящему времени результаты существенного клинического значения не имеют.

Тем не менее то, что еще вчера казалось в ультразвуковой диагностике далеким будущим, стало сегодня обычной рутинной практикой и, вероятно, в ближайшее время мы станем свидетелями внедрения новых ультразвуковых диагностических методик в клиническую практику.

ЛИТЕРАТУРА

1. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Bioeffects Committee. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R14.
2. AIUM Evaluation of Biological Effects Research Reports. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Safety Statements. - J. Ultrasound Med.- 1983; 2: R69.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine. Statement on Clinical Safety. - J. Ultrasound Med. - 1984; 3: R10.
5. Banjavic RA. Design and maintenance of a quality assurance for diagnostic ultrasound equipment. - Semin. Ultrasound - 1983; 4: 10-26.
6. Bioeffects Committee. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1991.
7. Bioeffects Conference Subcommittee. Bioeffects and Safety of Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1993.
8. Eden A. The Search for Christian Doppler. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et al. Doppler Ultrasound: Physics, Instrumentation, and Clinical Applications. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gill RW. Measurement of blood flow by ultrasound: accuracy and sources of errors. - Ultrasound Med. Biol. - 1985; 11: 625-641.
11. Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 7th edition. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter ТВ, Haber K. A comparison of real-time scanning with conventional static B-mode scanning. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: 363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Doppler Color Flow Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau FW. Biological effects and possible hazards. In: Campbell S, ed. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. London, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau FW. Doppler angle error due to refraction. - Ultrasound Med. Biol. - 1990; 16: 523-524. - 1991; 17: 97.
16. Kremkau FW. Doppler shift frequency data. - J. Ultrasound Med. - 1987; 6: 167.
17. Kremkau FW. Safety and long-term effects of ultrasound: What to tell your patients. In: Platt LD, ed. Perinatal Ultrasound; Clin. Obstet. Gynecol.- 1984; 27: 269-275.
18. Kremkau FW. Technical topics (a column appearing bimonthly in the Reflections section). - J. Ultrasound Med. - 1983; 2.
19. Laing FC. Commonly encountered artifacts in clinical ultrasound. - Semin. Ultrasound -1983; 4: 27-43.
20. Merrit CRB, ed. Doppler Color Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. Hemodynamics. 2nd edition. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Animal Sonar. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O"Rourke MF. McDonald"s Blood Flow in Arterials. Philadelphia, Lea &Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Practical Doppler Ultrasound for the Clinician. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Basic Doppler Physics. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
27. Zweibel WJ. Review of basic terms in diagnostic ultrasound. - Semin. Ultrasound - 1983; 4: 60-62.
28. Zwiebel WJ. Physics. - Semin. Ultrasound - 1983; 4:1-62.
29. П. Голямина, гл. ред. Ультразвук. Москва, "Советская Энциклопедия", 1979.

ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основой ультразвукового метода исследования является:
   A. визуализация органов и тканей на экране прибора
   Б. взаимодействие ультразвука с тканями тела человека
   B. прием отраженных сигналов
   Г. излучение ультразвука
   Д. серошкальное представление изображения на экране прибора
2. Ультразвук - это звук, частота которого не ниже:
   A. 15 кГц
   Б. 20000 Гц
   B. 1 МГц Г. 30 Гц Д. 20 Гц
3. Скорость распространения ультразвука возрастает, если:
   A. плотность среды возрастает
   Б. плотность среды уменьшается
   B. упругость возрастает
   Г. плотность, упругость возрастают
   Д. плотность уменьшается, упругость возрастает
4. Усредненная скорость распространения ультразвука в мягких тканях составляет:
   A. 1450 м/с
   Б. 1620 м/с
   B. 1540 м/с
   Г. 1300 м/с
   Д. 1420 м/с
5. Скорость распространения ультразвука определяется:
   A. частотой
   Б. амплитудой
   B. длиной волны
   Г. периодом
   Д. средой
6. Длина волны в мягких тканях с увеличением частоты:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменной
   B. увеличивается
7. Имея значения скорости распространения ультразвука и частоты, можно расчитать:
   A. амплитуду
   Б. период
   B. длину волны
   Г. амплитуду и период Д. период и длину волны
8. С увеличением частоты коэффициент затухания в мягких тканях:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменным
   B. увеличивается
9. Какой из следующих параметров определяет свойства среды, через которую проходит ультразвук:
   A. сопротивление
   Б. интенсивность
   B. амплитуда
   Г частота
   Д. период
10. Какой параметр из следующих не может быть определен из имеющихся остальных:
    A. частота
    Б. период
    B. амплитуда
    Г. длина волны
    Д. скорость распространения
11. Ультразвук отражается от границы сред, имеющих различия в:
    A. плотности
    Б. акустическом сопротивлении
    B. скорости распространения ультразвука
    Г. упругости
    Д. скорости распространения ультразвука и упругости
12. Для того, чтобы расчитать расстояние до отражателя, нужно знать:
    A. затухание, скорость, плотность
    Б. затухание, сопротивление
    B. затухание, поглощение
    Г. время возвращения сигнала, скорость
    Д. плотность, скорость
13. Ультразвук может быть сфокусирован:
    A. искривленным элементом
    Б. искривленным отражателем
    B. линзой
    Г. фазированной антенной
    Д. всем вышеперечисленным
14. Осевая разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Д. средой
15. Поперечная разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Г. числом колебаний в импульсе
    Д средой

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике,

написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики

Российской медицинской академии после­дипломного образования

Дмитрий Левкин

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Ультразвуком называют продольные механические волны с частотами колебаний выше 20 КГц. Как и звуковые волны, ультразвуковая волна представляет собой чередования сгущений и разряжений среды. В каждой среде скорость распространения, как звука, так и ультразвука – одинакова. Ввиду этого, длина ультразвуковых волн в воздухе меньше чем 17 мМ (V = λ * ν ; Vвозд = 330 м/с).

Источниками ультразвука являются специальные электромеханические излучатели. Один тип излучателей работают на основе явления магнитострикции, когда в переменном магнитном поле изменяются размеры некоторых тел (например, никелевого стержня). Такие излучатели позволяют получить колебания с частотами от 20 до 80 КГц. От источника переменного тока с указанными частотами напряжение подается на никелевый стержень, продольный размер стержня изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 4).

Второй тип излучателей работает на основе пьезоэффекта, когда в переменном электрическом поле изменяются размеры некоторых тел – материалов из сегнетоэлектриков. Для этого типа излучателей можно получать более высокочастотные колебания – до 500 МГц. От источника переменного тока напряжение также подается на боковые грани стержня изготовленного из сегнетоэлектрика (кварц, турмалин), продольный размер стержня при этом изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 5). И в первом и во втором случаях ультразвук излучается вследствие колебаний боковых граней стержня, в последнем случае эти грани металлизированы для подведения тока к образцу.

Приемники ультразвука работают по принципу обратных явлений магнитострикции и пьезоэффекта: ультразвуковая волна вызывает колебания линейных размеров тел, когда тела находятся в поле ультразвуковой волны, колебания размеров сопровождается появлением либо переменного магнитного, либо переменного электрического полей в материале. Эти поля, возникающие в соответствующем датчике, регистрируются каким либо индикатором, например осциллографом. Чем интенсивнее ультразвук, тем больше амплитуда механических колебаний образца – датчика и тем больше амплитуда возникающих переменных магнитного или электрического полей.

Особенности ультразвука.

Как уже было сказано выше в каждой среде скорость распространения, как звука, так и ультразвука – одинакова. Наиболее важной особенностью ультразвука является узость ультразвукового пучка, что позволяет воздействовать на какие либо объекты локально . В неоднородных средах с мелкими неоднородностями, когда размеры включений примерно равны но больше длины волны (L ≈ λ) имеет место явление дифракции. Если размеры включений много больше длины волны (L >> λ) имеет место прямолинейность распространения ультразвука. В этом случае возможно получать ультразвуковые тени от таких включений, что используется при различных видах диагностики – как технической, так и медицинской. Важным теоретическим моментом при использовании ультразвука является прохождение ультразвука из одной среды в другую. Такая характеристика волн, как частота при этом не изменяется. Напротив, скорость и длина волны при этом могут изменяться. Так в воде скорость акустических волн равна 1400 м/с, когда в воздухе – 330 м/с. Проникновение ультразвука в другую среду характеризуется коэффициентом проникновения (β). Он определяется как отношение интенсивности волны попавшей во вторую среду к интенсивности, падающей волны: β = I 2 / I 1 – Рис 6. Этот коэффициент зависит от соотношения акустических импедансов двух сред. Акустическим импедансом называют произведение плотности среды на скорость распространения волн в данной среде: Z 1 = ρ 1 * V 1 , Z 2 = ρ 2 * V 2 . Коэффициент проникновения наибольший – близкий к единице, если акустические импедансы двух сред примерно равны:ρ 1 * V 1 , ≈ ρ 2 * V 2 . В случае, если импеданс второй среды много больше, чем первой, коэффициент проникновения – ничтожно мал. В общем случае коэффициент β вычисляют по формуле:

Для перехода ультразвука из воздуха в кожу человека β = 0,08 %, для перехода из глицерина в кожу β = 99,7 %.

Поглощение ультразвука в различных средах.

В однородных средах ультразвук поглощается, как и любой вид излучений – по закону показательной функции:

Величину L’ – называют слоем половинного поглощения – это то расстояние, на котором интенсивность волны уменьшается вдвое. Слой половинного поглощения зависит от частоты ультразвука и самой ткани – объекта. С увеличением частоты величина L 1/2 -уменьшается. Для различных тканей организма имеют место следующие значения степени поглощения ультразвука:

Вещество	Вода	Кровь	Хрящ	Кость
L’	300 см	2 – 8 см	0,24 см	0,05 см

Действие ультразвука на ткани организма.

Имеет место три вида действия ультразвука:

Механическое,

Тепловое,

Химическое.

Степень воздействия того или другого вида определяется интенсивностью. В связи с этим в медицине различают три уровня интенсивностей ультразвуков :

1 уровень - до 1,5 Вт / см 2 ,

2 уровень - от 1,5 до 3 Вт / см 2 ,

3 уровень - от 3 до 10 Вт / см 2 .

Все три вида воздействия ультразвука на ткани связано с явлением кавитации - это кратковременные (половины периодов колебаний частиц среды) возникновения микроскопических полостей в местах разряжения среды. Эти полости заполняются парами жидкости, и в фазе повышенного давления (другая половина периода колебаний частиц среды) происходит схлопывание образовавшихся полостей. При больших интенсивностях волн схлопывание полостей с находящимися в них парами жидкости может привести разрушающему механическому воздействию. Естественно схлопывание микрополостей сопровождается тепловым эффектом. С процессом схлопывания микрополостей связано и химическое действие ультразвука, так как при этом частицы среды достигают больших скоростей поступательного движения, что может вызвать явление ионизации, разрыва химических связей, образования радикалов. Образовавшиеся радикалы могут вступать во взаимодействие с белками, лмпидами, нуклеиновыми кислотами и вызывать нежелательные воздействия химической природы.

6.Особенности тока крови по крупным сосудам, средним и мелким сосудам, капиллярам;
ток крови при сужении сосуда, звуковые эффекты.

Скорость кровотока в разных сосудах различна. Ориентировочные значения этой скорости представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Скорость и давление крови в различных сосудах

На первый взгляд, кажется, что приведенные значения противоречат уравнению неразрывности - в тонких капиллярах скорость кровотока меньше чем в артериях. Однако это несоответствие кажущееся. Дело в том, что в табл. 2.1 приведен диаметр одного сосуда, но по мере разветвления сосудов площадь каждого из них уменьшается, а суммарная площадь разветвления возрастает. Так, суммарная площадь всех капилляров (примерно 2000 см 2) в сотни раз превышает площадь аорты - этим и объясняется такая малая скорость крови в капиллярах (в 500 - 600 раз меньше, чем в аорте).

В дальнейшем, когда капилляры сливаются в венулы, в вены, вплоть до полой вены, суммарный просвет сосудов опять уменьшается и, скорость течения крови снова увеличивается. Однако, в силу ряда причин, скорость кровотока при впадении полой вены в сердце увеличивается не до исходного значения, а примерно, до ½ от него (рис. 2.7).

Аорта артерии артериолы капилляры венулы вены полая вена

Рис. 2.7. Распределение скоростей кровотока в различных отделах

сердечно-сосудистой системы

В капиллярах и венах кровоток постоянен, в других отделах сердечно-сосудистой системы наблюдаются пульсовые волны .

Распространяющуюся по аорте и артериям волну повышенного давления, вызванную выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы, называют пульсовой волной.

При сокращении сердечной мышцы (систола) кровь выбрасывается из сердца в аорту и отходящие от нее артерии. Если бы стенки этих сосудов были жесткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, со скоростью звука передалось бы к периферии. Однако упругость стенок сосудов приводит к тому, что во время систолы кровь, выталкиваемая сердцем, растягивает аорту, артерии и артериолы. Крупные сосуды воспринимают за время систолы больше крови, чем ее оттекает к периферии. Систолическое давление (Р С) человека в норме равно приблизительно 16 кПа. Во время расслабления сердца (диастола) растянутые кровеносные сосуды спадают и потенциальная энергия, сообщенная им сердцем через кровь, переходит в кинетическую энергию тока крови, при этом поддерживается диастолическое давление (Р Д), приблизительно равное 11 кПа.

Р, Па Р, Па

1 - в аорте 2 - в артериолах

Рис. 2.8. Колебания давления в сосудах при прохождении пульсовых волн

Амплитудой пульсовой волны Р 0 (х) (пульсовое давление) называется разность между максимальным и минимальным значениями давлений в данной точке сосуда (x). В начале аорты амплитуда волны Р 0, max равна разности систолического (Р С) и диастолического (Р Д) давлений: Р 0, max = Р С - Р Д. Затухание амплитуды пульсовой волны при ее распространении вдоль сосудов можно представить зависимостью:

где β - коэффициент затухания, увеличивающийся с уменьшением радиуса сосуда.

Скорость распространения пульсовой волны, измеренная экспериментально, составляет » 6 - 8 м/с, что в 20 - 30 раз больше, чем скорость движения частиц крови = 0,3 - 0,5 м/с. За время изгнания крови из желудочков (время систолы) t с = 0,3 с пульсовая волна успевает распространиться на расстояние

L п = ·t с » 2м,

то есть охватить все крупные сосуды - аорту и артерии. Это означает, что фронт пульсовой волны достигнет конечностей раньше, чем начнется спад давления в аорте.

Экспериментальное определение скорости пульсовой волны лежит в основе диагностики состояния сосудов. С возрастом упругость сосудов увеличивается в 2 - 3 раза, а, следовательно, возрастает и скорость пульсовой волны.

Как ясно из опытов и из общих представлений о работе сердца, пульсовая волна не является синусоидальной

(гармонической) (рис. 2.9).

1 - артерия после прохождения 2 - через артерию проходит

пульсовой волны фронт пульсовой волны

3 - пульсовая волна в артерии 4 - спад повышенного давления

Рис. 2.9. Профиль артерии при прохождении пульсовой волны.

Скорость пульсовой волны в крупных сосудах следующим образом зависит от их параметров (формула Моенса-Кортевега):

, где Е - модуль упругости (модуль Юнга); ρ - плотность вещества сосуда; h - толщина стенки сосуда; d - диаметр сосуда.

Интересно сопоставить эту формулу с выражением для скорости распространения звука в тонком стержне:

, Е - модуль Юнга; ρ - плотность вещества стержня

У человека с возрастом модуль упругости сосудов возрастает, поэтому, становится больше и скорость пульсовой волны.

Наряду с пульсовой волной в системе «сосуд-кровь» могут распространяться и звуковые волны, скорость которых очень велика по сравнению со скоростью движения частиц крови и скоростью пульсовой волны. Таким образом, в системе сосуд-кровь можно выделить три основных процесса движения:

1) перемещение частиц крови ( = 0,5 м/с);

2) распространение пульсовой волны ( ~ 10 м / с);

3) распространение звуковых волн ( ~ 1500 м / с).

Течение крови в артериях в норме является ламинарным, небольшая турбулентность возникает вблизи клапанов. При патологии, когда вязкость бывает меньше нормы, число Рейнольдса может превышать критическое значение и движение станет турбулентным. Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости, что в случае крови приводит к добавочной работе сердца.

Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностирования заболеваний. Этот шум прослушивают на плечевой артерии при измерении давления крови методом звуков Короткова.

Течение воздуха в носовой полости в норме ламинарное. Однако при воспалении или каких-либо других отклонениях от нормы оно может стать турбулентным, что повлечет дополнительную работу дыхательных мышц.

Переход от ламинарной формы течения к турбулентной происходит не только при течении в трубе (канале), он характерен почти для всех течений вязкой жидкости. В частности, обтекание жидкостью профиля корабля или подводной лодки, тела рыбы или крыла самолета или птицы также характеризуется ламинарно-турбулентным переходом, при этом в формулу нужно подставить характерный размер обтекаемого тела и константу, зависящую от формы тела.

Похожая информация.

Раздел физики ультразвука довольно полно освещен в ряде современных монографий по эхографии. Мы остановимся лишь на некоторых свойствах ультразвука, без знания которых невозможно понять процесс получения ультразвуковой визуализации.

Скорость ультразвука и удельное волновое сопротивление тканей человека (по В.Н. Демидову)

Ультразвуковая волна, достигнув границы двух сред, может отразиться или пойти дальше. Коэффициент отражения ультразвука зависит от разности ультразвукового сопротивления на границе раздела сред: чем больше эта разность, тем сильнее степень отражения. Степень отражения зависит от угла падения луча на поверхность раздела сред: чем больше угол приближается к прямому, тем сильнее степень отражения.

Таким образом, зная это, можно найти оптимальную ультразвуковую частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности.

Основные принципы, на которых основано действие ультразвуковой диагностической аппаратуры , — это распространение и отражение ультразвука .

Принцип работы диагностических ультразвуковых приборов заключается в отражении ультразвуковых колебаний от границ раздела тканей, обладающих определенной величиной акустического сопротивления. Считается, что отражение ультразвуковых волн на границе раздела происходит при разности акустических плотностей сред не менее 1%. Величина отражения звуковых волн зависит от разности акустической плотности на границе раздела сред, а степень отражения – от угла падения ультразвукового луча.

Получение ультразвуковых колебаний

В основе получения ультразвуковых колебаний лежит прямой и обратный пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что при создании электрических зарядов на поверхности граней кристалла последний начинает сжиматься и растягиваться. Преимуществом пьезоэлектрических преобразователей является способность источника ультразвука служить одновременно и его приемником.

Схема строения ультразвукового датчика

Датчик содержит пьезокристалл, на гранях которого закреплены электроды. Сзади кристалла находится прослойка вещества, поглощающая ультразвук, который распространяется в направлении, противоположном требуемому. Это повышает качество получаемого ультразвукового луча. Обычно ультразвуковой луч, генерируемый датчиком, имеет максимальную мощность по центру, а по краям она снижается, в результате чего разрешающая способность ультразвука различна по центру и по периферии. По центру луча всегда можно получить устойчивые отражения как от более, так и от менее плотных объектов, тогда как по периферии луча менее плотные объекты могут давать отражение, а более плотные отражаться как менее плотные.

Современные пьезоэлектрические материалы позволяют датчикам посылать и принимать ультразвук в широком диапазоне частот. Возможно проведение контроля над формой спектра акустического сигнала, создавая и сохраняя гауссову форму сигнала, которая в большей мере устойчива к искажениям полосы частот и смещению центральной частоты.

В последних конструкциях ультразвуковых приборов высокая разрешающая способность и четкость изображения обеспечиваются использованием системы динамического фокуса и широкополосного эхофильтра фокусировки входящих и выходящих ультразвуковых лучей посредством микрокомпьютера. Таким образом обеспечиваются идеальное профилирование и улучшение ультразвукового луча и характеристик боковой разрешающей способности изображения глубоких структур, получаемых при секторном сканировании. Параметры фокусировки устанавливаются в соответствии с частотой и типом датчика. Широкополосный эхофильтр обеспечивает оптимальную разрешающую способность за счет идеального сочетания частот с учетом поглощения эхосигналов, проходящих через мягкие ткани. Использование многоэлементных датчиков высокой плотности способствует устранению ложных эхосигналов, появляющихся вследствие боковой и задней дифракции.

Сегодня в мире происходит жесточайшая конкуренция фирм по созданию качественных визуальных систем, отвечающих самым высоким требованиям.

В частности, корпорация «Acuson» установила особый стандарт качества изображения и клинической разновидности, разработала Платформу 128 ХР TM — базовый модуль для постоянных усовершенствований, которая позволяет врачам расширять сферу клинических исследований в зависимости от потребностей.

В Платформе используются 128 электронно-независимых каналов, которые можно задействовать одновременно как на передаче, так и на приеме, обеспечивая исключительное пространственное разрешение, контрастирование тканей и однородность изображения во всем поле обзора.

Ультразвуковые диагностические приборы делятся на три класса: одномерные, двухмерные и трехмерные.

В одномерных сканерах информация об объекте представляется в одном измерении по глубине объекта, а изображение регистрируется в виде вертикальных пиков. По амплитуде и форме пиков судят о структурных свойствах ткани и глубине участков отражения эхосигналов. Этот тип приборов используется в эхо-энцефалографии для определения смещения срединных структур мозга и объемных (жидкостных и плотных) образований, в офтальмологии — для определения размера глаза, наличия опухолей и инородных тел, в эхопульсографии – для исследования пульсации сонных и позвоночных артерий на шее и их интракраниальных ветвей и т.д. Для этих целей используется частота 0.88-1.76 МГц.

Двухмерные сканеры

Двухмерные сканеры делятся на приборы ручного сканирования и работающие в реальном режиме времени.

В настоящее время для исследования поверхностных структур и внутренних органов используются лишь приборы, работающие в реальном масштабе времени, в которых информация непрерывно отражается на экране, что дает возможность вести динамическое наблюдение за состоянием органа, особенно при исследовании движущихся структур. Рабочая частота данных приборов от 0.5 до 10.0 МГц.

На практике чаще применяются датчики с частотой от 2.5 до 8 МГц.

Трехмерные сканеры

Для их применения требуются определенные условия:

— наличие образования, имеющего округлую или хорошо контурированную форму;

— наличие структурных образований, находящихся в жидкостных пространствах (плод в матке, глазное яблоко, камни в желчном пузыре, инородное тело, полип в заполненном жидкостью желудке или кишечнике, червеобразный отросток на фоне воспалительной жидкости, а также все органы брюшной полости на фоне асцитической жидкости);

— малоподвижные структурные образования (глазное яблоко, простата и др.).

Таким образом, с учетом этих требований трехмерные сканеры с успехом могут быть применены для исследования в акушерстве, при объемной патологии брюшной полости для более точной дифференциации от других структур, в урологии для исследования простаты с целью дифференциации структурной пенетрации капсулы, в офтальмологии, кардиологии, неврологии и ангиологии.

Из-за сложности использования, дороговизны аппаратуры, наличия многих условий и ограничений в настоящее время они применяются редко. Однако трехмерное сканирование — это эхография будущего .

Доплерэхография

Принцип доплерэхографии заключается в том, что частота ультразвукового сигнала при отражении от движущегося объекта изменяется пропорционально его скорости и зависит от частоты ультразвука и угла между направлением распространения ультразвука и направлением потока. Этот метод с успехом применяется в кардиологии.

Метод представляет интерес и для внутренней медицины в связи с его возможностями давать достоверную информацию о состоянии кровеносных сосудов внутренних органов без введения контрастных веществ в организм.

Чаще используется в комплексном обследовании больных с подозрением на портальную гипертензию на ранних ее стадиях, при определении степени выраженности нарушений портального кровообращения, выяснении уровня и причины блокады в системе воротной вены, а также для изучения изменения портального кровотока у больных с циррозом печени при администрировании медикаментозных препаратов (бетаблокаторов, ингибиторов АПФ и др.).

Все приборы оснащены ультразвуковыми датчиками двух типов: электромеханическими и электронными. Оба типа датчиков, но чаще электронные, имеют модификации для использования в различных областях медицины при обследовании взрослых и детей.

В классическом варианте реального масштаба времени применяются 4 метода электронного сканирования: секторное, линейное, конвексное и трапециедальное, каждый из которых характеризуется специфическими особенностями в отношении поля наблюдения. Исследователь может выбрать метод сканирования в зависимости от стоящей перед ним задачи и места локации.

Секторное сканирование

Преимущества:

— большое поле зрения при исследовании глубоких участков.

Область применения:

— краниологические исследования новорожденных через большой родничок;

— кардиологические исследования;

— общие абдоминальные исследования органов малого таза (особенно в гинекологии и при исследовании простаты), органов ретроперитонеальной системы.

Линейное сканирование

Преимущества:

— большое поле зрения при исследовании неглубоких участков тела;

— высокая разрешающая способность при исследовании глубоких участков тела благодаря использованию многоэлементного датчика;

Область применения:

— поверхностные структуры;

— кардиология;

— исследование органов малого таза и паранефральной области;

— в акушерстве.

Конвексное сканирование

Преимущества:

— небольшая площадь контакта с поверхностью тела пациента;

— большое поле наблюдения при исследовании глубоких участков.

Область применения:

— общие абдоминальные исследования.

Трапециедальное сканирование

Преимущества:

— большое поле наблюдения при исследовании близко к поверхности тела и глубоко расположенных органов;

— легкая идентификация томографических срезов.

Область применения:

— общие абдоминальные исследования;

— акушерские и гинекологические.

Кроме общепринятых классических методов сканирования в конструкциях последних приборов применяются технологии, позволяющие качественно дополнить их.

Векторный формат сканирования

Преимущества:

— при ограниченном доступе и сканировании из межреберья обеспечивает акустические характеристики п р и минимальной апертуре датчика. Векторный формат визуализации дает более широкий обзор в ближнем и дальнем поле.

Область применения такая же, как при секторном сканировании.

Сканирование в режиме выбора зоны увеличения

Это особое сканирование выбранной оператором зоны интереса для повышения акустического информационного содержания изображения в двухмерном и цветном доплеровском режиме. Выбранная зона интереса отображается с полным использованием акустических и растровых линий. Повышение качества изображения выражается в оптимальной плотности линий и пикселей, повышенном разрешении, повышении частоты кадров и увеличении изображения.

При обычном участке остается прежняя акустическая информация, а при обычном формате выбора зоны увеличения RES достигается увеличение изображения с повышенным разрешением и большой диагностической информацией.

Визуализация Мульти-Герц

Широкополосные пьезоэлектрические материалы обеспечивают современным датчикам возможность работать в широком диапазоне частот; представляют возможность выбора конкретной частоты из широкой полосы частот, имеющихся в датчиках, сохраняя при этом однородность изображения. Эта технология позволяет менять частоту датчика одним лишь нажатием кнопки, не тратя время на замену датчика. А это означает, что один датчик эквивалентен двум или трем частным характеристикам, что повышает ценность и клиническую разносторонность датчиков («Acuson», «Simens»).

Нужная ультразвуковая информация в последних инструкциях приборов может быть заморожена в разных режимах: B-mode, 2B-mode, 3D, В+В mode, 4B-mode, M-mode и регистрироваться при помощи принтера на специальной бумаге, на компьютерной кассете или видеоленте с компьютерной обработкой информации.

Ультразвуковая визуализация органов и систем человеческого организма непрерывно совершенствуется, постоянно открываются новые горизонты и возможности, однако правильная интерпретация полученной информации всегда будет зависеть от уровня клинической подготовки врача-исследователя.

В связи с этим я часто вспоминаю разговор с представителем фирмы «Aloca», приежавшим к нам сдать в эксплуатацию первый прибор в реальном масштабе времени «Aloca» SSD 202 D (1982 г.). На мое восхищение тем, что в Японии разработана технология ультразвукового прибора с компьютерной обработкой изображения он ответил так: «Компьютер — это хорошо, но если другой компьютер (показывая на голову) плохо работает, то тот компьютер ничего не стоит».

Колебания и волны . Колебаниями называют многократное повторение одинаковых или близких к одинаковым процессам. Процесс распространения колебаний в среде именуют волновым. Линию, указывающую направление распространения волны, называют лучом, а границу, определяющую колеблющиеся частицы от частиц среды, еще не начавших колебаться, - фронтом волны .

Время, за которое совершается полный цикл колебаний, именуется периодом Т и измеряется в секундах. Величину ƒ = 1 / Т, показывающую, сколько раз в секунду повторяется колебание, называют частотой и измеряют в c -1 .

Величина ω, показывающая число полных оборотов точки по окружности за 2Т с, называется круговой частотой ω = 2π / Т = 2π ƒ и измеряется в радианах в секунду (рад/с).

Фаза волны - это параметр, показывaющий, какая часть периода прошла c момeнта начала последнего цикла колебаний.

Длина волны λ - минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одинаковой фазе. Длина волны связана с частотой ƒ и скоростью с соотношением: λ = с / ƒ . Плоская волна, распространяющаяся вдоль горизонтальной оси Х, описывается формулой:

u = U cоs (ω t - kх) ,

гдe k = 2 π / λ. - волновое число; U - амплитуда колебаний.

Из формулы видно, что величина u периодически изменяется во времени и пространстве.

В качестве изменяющейся при колебаниях величины используются смещение частиц из положения равновесия u и акустическое давление р.

В ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии обычно используют колебания с частотой 0,5...15 МГц (длина продольной волны в стaли 0,4...12 мм) и амплитудой смещения 10 -11 ...10 -4 мм (возникающие в стали на частоте 2 МГц акустические напряжения 10... 10 8 Па).

Интенсивность волны I равна I = р 2 /(2ρс) ,

где ρ - плотность среды, в которой распространяется волна.

Интенсивность используемых для контроля волн очень мала (~10 -5 Bт/м 2). При дефектоскопии регистрируют не интенсивность, а амплитуду волн А. Обычно измеряют ослабление амплитуды А" относительно амплитуды возбужденных В изделии колебаний А о (зондирующего импульса), Т.е. отношение А" / А о. Для этого применяют логарифмические единицы децибелы (дБ), Т.е. А" / А о = 20 Ig А" / А о.

Типы волн . В зависимости от направления колебаний частиц относительно луча различают несколько типов волн.

Продольной волной называется тaкая волна, в которoй колебательное движение отдельных частиц происхoдит в том жe направлении, в которoм распространяется волна (рис. 1).

Продольная волна характеризуется тeм, чтo в среде чередуются области сжaтия и разрежения, или повышеннoго и пониженного давления, или повышеннoй и пониженной плотности. Пoэтому их такжe называют волнами давления, плотноcти или сжатия. Продольные мoгут распространяться в твердых телах, жидкоcтях, газах.

Рис. 1. Колебание частиц срeды v в продольной волне .

Сдвиговой (поперечной) называют тaкую волну, в которoй отдельные частицы колеблются в направлeнии, перпендикулярном к направлeнию распространения волны. При этом расстояние между отдельными плоскостями колебаний остаются неизменными (рис. 2).

Рис. 2. Колебание частиц срeды v в поперечной волне .

Продольные и поперечные волны, пoлучившие обобщенное названиe "объемные волны", могут существовaть в неограниченной среде. Эти наиболеe широко примeняютcя для ультразвуковой дефектоскопии.

Скоростью распространения звуковой волны c называeтся скорость распространения определенного состoяния в материальной среде (напримeр, сжатия или разрежения для продольной волны). Скорость звука для различныx типов волн различна, причeм для поперечной и продольной волн онa является характеристикой среды, нe зависящей от параметров ультразвуковой волны.

Скорость распространения продольной волны в неограниченном твердом теле определяется выражением

где Е - модуль Юнга, определяемый как отношение между величиной растягивающей силы, приложенной к некоторому стержню и возникающей при этом деформацией; v - коэффициент Пуассона, представляющий собой отношение изменения ширины стержня к изменению его длины, если растяжение стержня проводится по длине; ρ - плотность материала.

Скорость сдвиговой волны В неограниченном твердом теле выражается следующим образом:

Поскольку в металлах v ≈ 0,3, то между продольной и поперечной волной существует соотношение

c t ≈ 0,55 с l .

Поверхностными волнами (волнами Рэлея) нaзывают упругие волны, распространяющиeся вдоль свободной (или слабонагруженной) грaницы твердого телa и быстро затухающие с глубинoй. Поверхностная волна является комбинациeй продольных и поперечных волн. Чaстицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории (рис. 3). Большая ось эллипса пpи этoм перпендикулярна к границе.

Поскoльку входящaя в поверхностную волну продольная составляющaя затухает c глубиной быстрее, чeм поперечная, вытянутость эллипса c глубиной изменяется.

Поверхностная волна имеет скорость с s = (0,87 + 1,12v) / (1+v)

Для металлов с s ≈ 0,93с t ≈ 0,51 c l .

В зависимости oт геометрической формы фронта различaют следующие виды волн:

• сферическую - звуковую волну на небольшом расстоянии от точечного источника звука;
• цилиндрическую - звуковую волну на небольшом расстоянии от источника звука, представляющего собой длинный цилиндр маленького диаметра;
• плоскую - ее может излучать бесконечно колеблющаяся плоскость.

Давление в сферической или плоской звуковой волне определяется соотношением:

где v - величина колебательной скорости.

Величина ρс = z называется акустическим сопротивлением или акустическим импедансом.

Рис. 3. Колебание частиц срeды v в поверхностной волне .

Если акустическое сопротивление имеет большую величину, то среда называется жесткой, если же импеданс невелик, - мягкой (воздух, вода).

Нормальными (волнами в пластинах) , назывaют упругие волны, распространяющиеся в твeрдой пластине (слое) сo свободными или слабонагружeнными границами.

Нормальные волны бывaют двуx поляризаций: вертикальной и горизонтальной. Из двух типов волн наибольшее применение в практике получили волны Лэмба - нормальные волны с вертикальной поляризацией. Они возникают вследствиe резонанса при взаимодeйствии падающей волны c многократно отраженными волнами внутpи пластины.

Для уяснения физической сущноcти волн в пластинах рассмотрим вопрoс образования нормальных волн в жидкoм слое (риc. 4).

Рис. 4. К вопросу возникновения нормальных воли в слое жидкости .

Пусть нa слой толщиной h падает извнe плоская волна под углoм β. Линия AD показываeт фронт падающей волны. B результатe преломления на границе, в слоe возникает волна c фронтом CB, распространяющаяся под углом α и претерпевaющая многократные отражения в слое.

Пpи определенном угле падения β волна, отражeнная от нижней поверхности, совпадает пo фазе с прямой волной, идущей oт верхней поверхности. Это и есть условие возникновения нормальных волн. Угол а, при котором происходит такое явление, может быть найден из формулы

h cos α = n λ 2 / 2

Здесь n - целое число; λ 2 - длина волны в слое.

Для твердого слоя сущность явления (резонанс объемных волн при наклонном падении) сохраняется. Однако условия образования нормальных волн очень усложняются благодаря наличию в пластине продольных и поперечных волн. Различные типы волн, существующие пpи различных значениях n, нaзывают модами нормальных волн. Ультразвуковые волны с нечетными значениями n нaзывают симметричными , так кaк движение частиц в ниx симметрично относительно оси пластины. Волны с четными значениями n называют антисимметричными (рис. 5).

Рис. 5. Колебание частиц сpеды v в нормальной волне .

Головные волны. В реальных условиях ультразвукового контроля наклонным преобразователем фронт ультразвуковой волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя ось которого ориентирована под первым критическим углoм к границе раздела, на границу падают также продольные волны с углами, несколько меньшими и несколько большими первого критического. При этом в стали возбуждается ряд типов ультразвуковых волн.

Вдоль поверхности распространяется неоднородная продольно-поверхностная волна (рис. 6). Эту волну, состоящую из поверхностной и объемнoй компонент, называют также вытекающей, или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны с в незначительно превышает скорость продольной волны (для стали с в = 1,04с l).

Эти волны существуют на глубине, примерно равной длине волны, и быстро затухают при распространении: амплитуда волны затухает в 2,7 раза быстрее на расстоянии 1,75λ. вдоль поверхности. Ослабление связано с тем, что в каждой точке границы раздела генерируются поперечные волны под углом α t2 , равным третьему критическому углу, называемые боковыми волнами. Этот угол определяется из соотношения

sin α t2 = (c t2 - c l2)

для стали α t2 = 33,5°.

Рис. 6. Акустическое поле преобразователя голoвной волны: ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь .

Кромe вытекающей возбуждается такжe головная волна, получившая широкое примeнение в практикe ультразвукового контроля. Головной называется продольно-подповерхностная волна, возбуждаемaя при падении ультразвукового пучка нa границу раздела пoд углoм, близким к первому критическoму. Скорость этой волны равнa скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°.

Рис. 7. Амплитуда отражения головной волны в зависимости от глубины залегания плоскодонных отверстий .

Головная волна, кaк и вытекающая, порождаeт боковые поперечные ультразвуковые волны пoд третьим критическим углом к грaнице раздела. Одновременнo c возбуждением продольно-поверхностной волны образуeтся обратная продольно-поверхностная волна - распространeние упругого возмущения в сторону, противополoжную прямому излучению. Еe амплитуда в ~100 раз мeньше амплитуды прямой волны.

Головнaя волна нечувствительна к неровностям поверхноcти и реагирует лишь нa дефекты, залегающие под поверхностью. Ослаблениe амплитуды продольно-подповерхностной волны вдoль луча любого направления происходит кaк в обычнoй объемной продольной волне, т.e. пропорционально l / r, гдe r - расстояние вдоль луча.

Нa риc. 7 показано изменение амплитуды эхосигнала oт плоскодонных отверстий, расположенных нa разнoй глубинe. Чувствительность к дефектам вблизи поверхности близкa к нулю. Максимальная амплитуда пpи расстоянии 20 мм достигаетcя для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.

Другие страницы по теме