Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Чорноморський державний університет ім. Петра Могили
Кафедра медичних приладів і систем
МЕДИЧНІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ.
Акустичні та механічні медичні прилади.
Ультразвукові медичні прилади і системи.
Лекція 6
|
|
|
|
|
|
|
|
2. УЛЬТРАЗВУКОВІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Ультразвук (УЗ) – механічні коливання і хвилі з частотами більше 20 кГц.
Верхньою межею УЗ частот умовно можна вважати 109 - 1010 Гц. Ця межа визначається міжмолекулярними відстанями і тому залежить від агрегатного стану речовини, в якій розповсюджується УЗ хвиля.
Рис. 6.1.
Для генерування УЗ використовують пристрої, які називаються УЗ-випромінювачами. Найбільше розповсюдження отримали електромеханічні випромінювачі, робота яких заснована на явищі оберненого п’єзоелектричного ефекту [2]. Обернений п’єзоефект полягає у механічній деформації тіл під дією електричного поля. Основною частиною такого випромінювача (рис. 6.1) є пластина або стержень 1 з речовини з добре вираженими п’єзоелектричними властивостями (кварц, сегнетова сіль, керамічний матеріал на основі титанату барію ті ін.). На поверхню пластини у вигляді провідних шарів нанесені електроди 2. Якщо до електродів прикласти змінну електричну напругу від генератора 3, то пластина завдяки оберненому п’єзоефекту почне вібрувати, випромінюючи механічну хвилю відповідної частоти.
Найбільший ефект випромінювання механічної хвилі виникає при виконанні умови резонансу. Так, для пластин товщиною 1 мм резонанс виникає:
Приймач УЗ можна створити на основі п’єзоелектричного ефекту (прямий п’єзоефект). В такому випадку під дією механічної хвилі (УЗ-хвилі) виникає деформація кристалу (рис. 6.1.б), яка при п’єзоефекті призводить до генерації змінного електричного поля. Відповідну електричну напругу можна виміряти.
Застосування УЗ в медицині пов’язано з особливостями його розповсюдження та характерними властивостями.
Фізична природа УЗ, як і звуку, - механічна (пружна) хвиля. Однак, довжина хвилі УЗ суттєво менша довжини звукової хвилі. Наприклад, у воді:
|
Довжина хвилі |
1,4 м |
1,4 мм |
1,4 мкм |
|
Частота |
1 кГц |
1 МГц - УЗ |
1 ГГц - УЗ |
Дифракція хвиль, як відомо, суттєво залежить від співвідношення довжини хвилі і розмірів тіл, на яких вона дифрагує. Непрозоре (для звуку) тіло розміром 1 м НЕ буде перешкодою для звукової хвилі з довжиною 1,4 м, але стане перешкодою для УЗ хвилі з довжиною 1,4 мм: виникне «УЗ-тінь». Що дозволяє у деяких випадках не враховувати дифракцію УЗ-хвиль, якщо розглядати їх при заломленні та відбитті як промені (аналогічно заломленню та відбиттю світлових променів).
Відбиття УЗ на межі поділу двох середовищ залежить від співвідношення їх хвильових опорів (п.3, лекція 5). Наприклад, УЗ добре відбивається на межах:
Тому, можна визначити розташування і розмір неоднорідних включень, порожнин, внутрішніх органів та ін. (УЗ-локація). При УЗ-локації використовують:
|
Неперервне випромінювання |
Імпульсне випромінювання |
|
Досліджується стояча хвиля, що виникає при інтерференції падаючої та відбитої від межі поділу хвиль. |
Спостерігається відбитий імпульс, вимірюється час розповсюдження УЗ до об’єкту, що досліджується, та час його розповсюдження у зворотному напрямку. |
Знання швидкості розповсюдження УЗ дозволяє визначити глибину залягання об’єкту.
Хвильовий опір середовищ у 3000 разів більший хвильового опору повітря. Тому якщо УЗ-випромінювач прикласти до тіла людини, то УЗ не проникне всередину, а буде відбиватися за причини наявності тонкого шару повітря між випромінювачем та біологічним об’єктом. Аби виключити повітряний шар, поверхню УЗ-випромінювача покривають шаром масла.
Швидкість розповсюдження УЗ-хвиль та їх поглинання суттєво залежать від стану середовища. На цьому принципі засноване використання УЗ для дослідження молекулярних властивостей речовини. Дослідження такого роду є предметом молекулярної акустики.
З наступної формули для густини потоку енергії пружних хвиль:
, (6.1)
де - густина середовища, - амплітуда коливань точок середовища, - циклічна частота, - швидкість розповсюдження хвилі у середовищі, випливає, що інтенсивність хвилі прямо пропорційна . Отже, можна отримати УЗ значної інтенсивності навіть при порівняно невеликій амплітуди коливань. Прискорення частинок, які коливаються в УЗ-хвилі, також може бути великим, оскільки також прямо пропорційне . Тому можна говорити про наявність суттєвих сил, що діють на частинки у біологічних тканинах під час опромінення УЗ.
Стискання та розрідження, створювані УЗ, призводять до утворення розривів суцільності середовища – кавітацій. Кавітації існують недовго і швидко закриваються. При цьому у невеликих об’ємах виділяється значна енергія, відбувається розігрів речовини, а також іонізація та дисоціація молекул.
Фізичні процеси, обумовлені дією УЗ, викликають у біологічних об’єктах наступні основні ефекти:
Медико-біологічні застосування УЗ можна в основному поділити на два напрямки:
Методи діагностики і дослідження
До них відносять локаційні методи з використанням головним чином імпульсного випромінювання:
За допомогою УЗ-ефекту Допплера вивчають характер руху серцевих клапанів та вимірюють швидкість кровотоку. З метою діагностики за швидкістю УЗ знаходять густину зрощеної або ушкодженої кістки.
Методи впливу
До цього напрямку відносять УЗ-фізіотерапію (рис. 6.3). Дія УЗ на пацієнта відбувається за допомогою спеціального випромінюючої головки апарату. Зазвичай для терапевтичних цілей застосовують УЗ частотою 800 кГц, середня його інтенсивність становить близько 1 Вт/см2 або менше.
Первинним механізмом УЗ-терапії є механічна та теплова дія на тканину.
Інші напрямки використання УЗ
Під час операцій УЗ використовують як УЗ-скальпель, здатний розсікати як м’які так кісткові тканини. Здатність УЗ подрібнювати тіла, розміщені у рідину, та створювати емульсії використовується у фармацевтичній промисловості при виготовленні лікарняних препаратів. Під час лікування таких захворювань, як туберкульоз, бронхіальна астма, катар верхніх дихальних шляхів, використовують аерозолі різних лікарняних речовин, отримані за допомогою УЗ.
У наш час розроблений новий метод «зварювання» ушкоджених або трансплантованих кісткових тканин за допомогою УЗ. Це так званий УЗ-остеосинтез.
Шкідлива дія УЗ на мікроорганізми використовується під час стерилізації.
Цікавим є використання УЗ для сліпих. Завдяки УЗ-локації за допомогою портативного приладу «Орієнтір» виявляти предмети та визначати їх характ6ер на відстані 10 м.
Перелічені приклади не вичерпують всіх медико-біологічних застосувань УЗ, до того є перспектива розширення. Так, наприклад, можна очікувати нових методів діагностики із впровадженням в медицину УЗ голографії.
Ультразвук (УЗ) – механічна пружна хвиля, яка може проникати та взаємодіяти з біологічними тканинами. З певним наближенням можна вважати, що ультразвукові хвилі (УЗХ) у біотканинах розповсюджуються так само, як і в рідинах (окрім кісткової тканини). Поперечні хвилі не можуть проникати у м’які тканини на більшу глибину. Тому у медицині знайшли застосування лише поздовжні хвилі. Для цілей діагностики найбільш інформативним можна вважати:
За своїми акустомеханічними властивостями біотканини живих організмів можна віднести до шарових середовищ. Під час вертикального падіння УЗХ коефіцієнт відбиття:
, (4.1)
де , - густини, а , - швидкості розповсюдження звуку в першому та у другому середовищі відповідно. Добуток отримав назву акустичного імпедансу. Врахуванням відмінностей густин біотканин та швидкостей розповсюдження звуку в них, отримують умови відбиття УЗХ від границі розділу, наприклад:
Варто відмітити відсутність частотної дисперсії швидкості звуку у середовищах, хоча існує їх температурна залежність. У тканинах, які не містять жир, із зростанням температури швидкість збільшується, і зменшується у жиромістких тканинах.
Розповсюдження УЗХ супроводжується:
Зміна інтенсивності хвилі описується відомим законом:
, (4.2)
де - інтенсивність падаючої хвилі, - відстань, яку подолала хвиля у середовищі, - коефіцієнт поглинання акустичної хвилі. Коефіцієнт складним чином залежить від:
Отже, чим вища частота УЗ коливань, тим на меншу глибину вони проникають.
Роздільна здатність УЗ досліджень прямо залежить від довжини хвилі акустичних коливань у біосередовищах. Наприклад, якщо вважати середню швидкість звуку у м’яких тканинах рівною 1540 м/с , то довжини хвиль для частот будуть відповідно:
|
Частота |
Довжина хвилі |
|
1 МГц |
1,5 мм |
|
10 МГц |
0,15 мм |
|
1 ГГц |
1,5 мкм |
Це дозволяє застосовувати УЗ коливання для досліджень на рівні не тільки органів і тканин, але й кліткових структур.
В залежності від цілей досліджень вирішують компромісну задачу між глибиною проникання УЗ та роздільною здатністю. Вважаються оптимальними наступні діапазони частот:
|
Частота |
Застосування |
|
20…300 кГц |
Для підводної біолокації |
|
0.8…15 МГц |
Для УЗ діагностики та терапії |
|
12 МГц … 1 ГГц |
Для акустичної мікроскопії |
3. ЕХО-ІМПУЛЬССНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ (ЕХОГРАФІЯ)
Ехо-імпульсні методи досліджень засновані на принципі випромінювання зондуючого імпульсу УЗ та прийомі сигналів, відбитих від поверхонь розділу тканинних середовищ з різними акустичними властивостями (акустичним імпедансом). Оскільки інформація міститься у відбитому від багатьох шарів сигналі – акустичній луні, то використовується й термін «ехографія» для позначення цієї групи методів.
Рис. 4.2.
Рис. 4.1.
Розрізняють 4 режими (різновиди) ехографії:
Рис. 4.3.
При швидкості сканування, що забезпечує формування зображень не менш 16-30 кадрів за секунду, можна спостерігати динамічні процеси в організмі. В-режим ехографії застосовується в медичній діагностиці:
У якості датчиків УЗ діагностичної апаратури застосовуються п’єзоелектричні перетворювачі. Як правило, такі перетворювачі почергово використовуються як для випромінювання зондуючи імпульсів, так і для прийому відбитого сигналу. Для усунення стрибка акустичного імпедансу на границях розділу середовищ п’єзокераміка-повітря і повітря0поверхня шкіри застосовуються спеціальні покриття як на поверхню, що випромінює, так і на ту частину датчика, яка приймає сигнал, а на шкіру пацієнта в місці дослідження наносять шар спеціального гелю (або зволожують її).
У сучасній апаратурі УЗД вікористовуюють багатоелементні матричні датчики. Їх конструкція дозволяє здійснювати електронне сканування досліджуваної області подібно до того, як це робиться у СВЧ радіолокації. Конструкція датчиків і вибір робочої частоти УЗ сигналу також залежать від області дослідження:
Апаратура для ехографії спеціалізованого призначення тільки один з режимів – А або С. Універсальні УЗД працюють у будь-якому з вказаних вище режимів, використовують комплект спеціалізованих датчиків та програмне забезпечення для обробки інформації на ЕОМ. Спрощена структура апарату УЗД показана на рис. 4.4.
4. ДОППЛЕРІВСЬКІ УЛЬТРАЗВУКОВІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
Рис. 4.4.
Ця група методів досліджень використовує ефект Допплера в ультразвуковій ехолокації. Суть цього явища полягає у зміні частоти сигналу, відбитого від рухомого об’єкту. В аналітичній формі ефект можна представити у вигляді:
, (4.3)
де - допплерівський зсув частоти, - частота зондую чого сигналу, - частота відбитого сигналу, - швидкість переміщення об’єкта, - кут між напрямом зондування і напрямом переміщення об’єкта, - швидкість звука у досліджуваному середовищі.
Як видно з (4.3), - прямо пропорційна швидкості руху об’єкта. Для більшості біологічних процесів (рух крові у судинах, переміщення серця, легень та ін.) значення добутку знаходяться в інтервалі (0…1) м/с. Якщо частоту обрано в інтервалі (1…10) МГц, то допплерівський зсув частоти знаходитиметься у діапазоні чутних частот. Тому стандартний метод суб’єктивного сприйняття та якісної інтерпретації допплерівських сигналів від рухомих елементів біоструктур полягає в їх підсиленні та прослуховуванні.
Функціональна схема найпростішого вимірювача швидкості кровотоку з неперервним випромінюванням показана на рис. 4.5.
Варто відмітити, що при проведенні реальних досліджень область відбиття сигналу з елементами, які мають різні швидкості руху, має певні просторові розміри. Тоді допплерівський сигнал характеризується деяким спектром частот. Найбільш досконалі апаратні реалізації методу засновані на спектральному аналізі допплерівського сигналу і, відповідно, отриманні та розподіленні швидкостей переміщень елементів досліджуваної області.
Допплерівські системи з неперервним випромінюванням не здатні розділяти об’єкти за глибиною, оскільки ехосигнали, отримані від двох або більше елементів, розташованих на різній глибині, сприймаються як один сигнал. Вказаний недолік усунуто в імпульсно-допплерівській системі. В ній використовується імпульсний характер зондування, подібний методу ехографії для режиму С. відмінність полягає в тому, що фрагменти А-ехограм застосовуються не для візуалізації, а для спектрального аналізу допплерівського зсуву. Таким чином, імпульсно-допплерівська система дозволяє отримувати пошаровий розподіл швидкостей руху елементів в досліджуваній області, наприклад, швидкостей кровотоку у магістральних судинах.
В клінічній практиці ультразвукова допплерівська діагностика знайшла застосування у неінвазивному дослідженні:
5. АКУСТИЧНА УЛЬТРАЗВУКОВА МІКРОСКОПІЯ
Рис. 4.5.
Рис. 4.6.
Ультразвукова мікроскопія використовує можливості просторового розділення акустичних хвиль з частотами від 10 МГц до 1 ГГц. При цьому довжина хвилі ультразвуку у м’яких та водомістких біосередовищах спів вимірна з досліджуваними структурами. Для отриманні зображення можуть бути використані як амплітуда, так і фаза акустичних хвиль, що пройшли через об’єкт. Принцип реалізації методу показано на рис. 4.6.
У порівнянні з оптичними та рентгенівськими мікроскопами, ультразвукова мікроскопія дає підвищену контрастність, що дозволяє спостерігати мікрооб’єкти у природному середовищі проживання.
У медичній лабораторній практиці метод широкого застосування не отримав.
---. ІНФРАЗВУК
Інфразвуком (ІЗ) називаються механічні (пружні) хвилі із частотами меншими тих, які сприймає вухо людини ( < 20 Гц).
Джерелом ІЗ можуть бути як природні об’єкти (море, землетрус, грозові розряди та ін.), так і штучні (вибух, автомашини, станки та ін.).
ІЗ часто супроводжується шумом, який можна почути, наприклад, в автомобілі, тому виникають труднощі під час вимірювання та дослідження власне ІЗ коливань.
Для ІЗ характерним є слабке поглинання різними середовищами, тому він розповсюджується на значні відстані. Саме це дозволяє за розповсюдженням ІЗ у земній корі виявляти вибухи на великих відстанях від їх джерел, за виміряним ІЗ хвилям прогнозувати цунамі та ін. Оскільки довжина хвилі ІЗ більша, ніж у звуків які ми чуємо, то ІЗ хвилі сильніше дифрагують та проникають у приміщення, огинаючи перешкоди.
ІЗ спричинює несприятливу дію на функціональний стан ряду систем організму: викликає втому, головний біль, сонливість, роздратування та ін. Вважається, що первинний механізм дії ІЗ на організм має резонансну природу. Резонанс, як відомо, виникає при близьких значеннях частоти вимушеної сили і частоти власних коливань. Частоти власних коливань тіла людини:
що відповідає частотам інфразвуків. Зниження рівня ІЗ у житлових, виробничих і транспортних приміщеннях – одна із задач гігєни.
---. ВІБРАЦІЇ
У техніці механічні коливання різних конструкцій і машин отримали назву вібрацій. Вони діють на людину, яка дотикається об’єктів, що вібрують. Ця дія може бути як шкідливою та призводити у певних умовах до вібраційної хвороби, так і корисною, лікувальною (вібротерапія, вібромасаж).
Основні фізичні характеристики вібрацій співпадають з характеристиками механічних коливань тіл, а саме:
Окрім того, для розуміння дії вібрацій на біологічний об’єкт можна уявляти розповсюдження та згасання коливань в тілі. Під час дослідження цього питання використовують моделі, які складаються з інерційних мас, пружних і в’язких елементів.
Вібрації є джерелом звуків, які є чутними, УЗ та ІЗ.
Література: