K
Recomandat pentru publicarea ca curs de predare la specialitatea "Diagnosticul cu ultrasunete" de către Consiliul Metodologic Educațional al BelMAPO
Secțiunea 2.1. Bazele fizice ale ultrasunetelor.
2.1.1.
TEMA. Prevederi fundamentale de acustică.
1. Istoricul utilizării ultrasunetelor în medicină.
2. Bazele fizice ale acusticei.
3. Aspecte fizice ale ultrasunetelor, care s-au găsit în medicină.
1. Istoricul utilizării ultrasunetelor în medicină.
Studiul principiilor diagnosticului cu ultrasunete presupune cunoașterea bazelor teoretice elementare ale acusticei. Ghici că motivul pentru zbor fără erori de lilieci în întuneric nu pot fi auzite sunt fluctuațiile urechii ulcer-kovye uman, exprimat la sfârșitul secolului al XVI-DEȘEURILOR italian Spalanzani, cu toate acestea, pentru confirmarea sa practică a luat o jumătate de secol. Istoria oficială a studiului de ultrasunete incepe in 1880, cand un fizician proeminent Pierre Curie, care lucrează împreună cu fratele său, Jacques, a descoperit fenomenul efectului piezoelectric, esența care constă în supra-apariția pe fețele plăcii de cuarț în timpul tarifelor sale electrice de compresie. Un an mai târziu, acesta este un fenomen numit efectul piezoelectric directe a fost justificată teoretic, de un alt om de știință francez G. Lipman, care a descris, de asemenea, principiul inversul efectului piezoelectric piezo-deformare sub influența unei diferență de potențial electric. Timp de câteva decenii, aceste descoperiri nu au primit recunoașterea și aplicarea corespunzătoare. Numai în 1916 începe utilizarea practică a dispozitivului cu ultrasunete. Primii ecolatori ultrasonici sunt instalați pe submarine pentru a detecta navele inamice.
In 1929 de către ruși cercetător S.Ya.Sokolovym fundații ultrasunete defect au fost puse în arta și industria (detectarea defectelor latente a produselor metalice, blocuri de beton și altele asemenea). În acest scop, sunt create dispozitive ultrasonice speciale, care mai târziu au servit ca prototipuri pentru dispozitive medicale de diagnosticare. Cu ajutorul lor s-au făcut încercări separate pentru a obține informații ultrasunete despre starea organelor interne ale omului. În curând apar primele, relativ simple în dispozitive medicale dispozitiv, care lucrează într-un mod unidimensional. Ei au făcut posibil de a experimenta și practica clinica pentru a vedea imaginea de pietre vezicii biliare, înregistrați structurile medial de offset a creierului, în prezența hematom cranian sau tumori, etc .. Aplicarea cu succes a instrument de diagnosticare cu ultrasunete în oftalmologie a început la mijlocul anilor 50, a publicat prima lucrare pe diagnosticul de tumori de sân. De data aceasta este marcată de apariția dispozitivelor care asigură (metoda B) bidimensional, o imagine a organelor interne (un tomogram cu ultrasunete) precum și alte sisteme Doppler aplicații de cercetare teoretice și experimentale în diagnosticare.
În următorii 15-20 de ani, echipamentul este îmbunătățit în mod semnificativ, sunt create dispozitive de gri, care oferă imagini cu un număr mare de detalii și gradații fine ale structurii și dezvoltă primele modele de mașini de scanare rapidă (în timp real). Treptat, apariția unui aparat modern de diagnosticare cu ultrasunete echipat cu un număr mare de senzori înlocuibili, având blocuri încorporate pentru măsurători, calcule ale diferiților parametri biologici și, în final, un sistem de procesare a imaginilor pe calculator.
2. Bazele fizice ale acusticei. Domeniul fizicii care studiază mișcarea vibrațională în medii elastice (solide, lichide și gazoase) se numește acustică. Acustica a apărut inițial ca o știință care explorează sunetul, adică, auzită de ureche, oscilație. Dar, în prezent, subiectul studierii acusticei sunt alte oscilații mecanice care sunt inaccesibile pentru auzul uman datorită frecvențelor foarte scăzute (infrasound) sau înalte (ultrasunete) și ultrahigh (hipersone).
Unda ultrasonică este o vibrație sonoră care depășește un anumit prag în frecvență. Gama de audibilitate a sunetului la om este de 20-20.000 Hz. Gama de imagini cu ultrasunete alb-negru (mod scalos gri) 2-15 MHz; Frecvențele Doppler sunt oarecum mai mici.
Echipamentul de diagnosticare utilizează doar o parte relativ mică din domeniul ultrasonic. Acest lucru se datorează faptului că oscilațiile de înaltă frecvență nu pot pătrunde adânc în țesuturi, iar frecvențele joase nu asigură o calitate suficientă a imaginii datorită rezoluției scăzute. Cele mai înalte frecvențe de operare sunt senzorii dispozitivelor oftalmice, osteometrelor și sinuscoapelor cu ultrasunete scăzute.
Sunetul, precum și ultra-, hiper- sau infrasonic - în funcție de frecvență, se numesc oscilații, propagând sub forma unui val longitudinal. Lunga longitudinală este o mișcare periodică (repetată) a particulelor mediului în spate și înapoi din poziția de echilibru. În același timp, unele particule ale mediului împing alte persoane care se află în fața lor și se întorc în locurile lor. Un astfel de val este numit longitudinal, deoarece mișcarea particulelor mediului are loc în direcția acțiunii factorului deranjant, spre deosebire de valul transversal, atunci când direcția oscilațiilor particulelor este perpendiculară pe forța care acționează.
Mișcările vibraționale sunt descrise de valoarea unui număr de parametri: amplitudinea, perioada, frecvența oscilațiilor, lungimea de undă etc.
În țesuturile corpului se propagă doar valuri longitudinale, care reprezintă mișcarea de mișcare parțială a particulelor mediului. Deoarece valul longitudinal este o zonă alternativă de rărire și comprimare a substanței mediului, frecvența de oscilație este numărul de compresii și rarefaceri per unitate de timp. Această valoare este măsurată în hertz (1 Hz = o comprimare + vid într-o secundă). Perioada de oscilație este timpul în care se produce o comprimare și o rărire, adică reciprocitatea frecvenței de oscilație.
unde T este perioada de oscilație;
frecvența de oscilație f, Hz.
Lungimea de undă este caracterizată de distanța dintre secțiunile învecinate cu același grad de rărire sau compresie. Această distanță trece valul pentru o perioadă de un leagăn.
Lungimea de undă, frecvența, perioada și viteza de propagare a oscilațiilor sunt legate unul de celălalt printr-o simplă dependență:
unde X este lungimea de undă, m;
v - viteza de propagare a undelor, m / s;
f este frecvența de oscilație, Hz;
T este perioada de oscilație, sec, adică
La o viteză constantă de sunet, aceste cantități sunt invers proporționale. Cu frecvență în creștere, lungimea de undă scade și invers.
Viteza de propagare a undelor este definită ca distanța parcursă de o undă în mediu în 1 secundă. Acest parametru depinde în primul rând de proprietățile mediului (densitate, omogenitate) și numai într-un interval mic de schimbare de temperatură. Temperatura corpului uman este practic constantă, fluctuațiile sale de câteva zeci de grade nu afectează în mod semnificativ viteza de ultrasunete.
X-lungime de undă (m); f este frecvența de oscilație (MHz).
3. Aspecte fizice ale ultrasunetelor, care s-au găsit în medicină. Viteza cu care ultrasunetele se propagă într-un mediu depinde de proprietățile acestui mediu, în special de densitatea sa. Viteza propagării cu ultrasunete în țesuturile umane la o temperatură de 37 ° C este de 1540 m / s. Pentru o viteză de ultrasunete de 1540 m / sec, lungimea de undă este de 0,44 mm la o frecvență de 3,5 MHz, aproximativ 0,3 mm la o frecvență de 5 MHz.
Dacă densitatea, structura și temperatura sunt aceleași pe tot mediul, atunci se consideră că un astfel de mediu este omogen. Într-un mediu omogen, undele se propagă liniar. Diferitele medii au proprietăți diferite, dintre care impedanța acustică este deosebit de importantă pentru noi. Impedanța acustică este egală cu produsul densității mediului prin viteza de propagare a sunetului în acesta și caracterizează gradul de rezistență al mediului la propagarea undelor sonore. Viteza de propagare a undelor ultrasonice în țesuturi este practic constantă, prin urmare, în echocardiografie, impedanța acustică este doar o funcție a densității unui țesut dat. Țesuturi diferite: miocard, pericard, sânge, frunze de supape etc. - au densități diferite. Chiar și cu o mică diferență de densitate între medii, se produce efectul "separării fazelor". Un val ultrasonic care a ajuns la limita a două medii poate fi reflectat din graniță sau trece prin ea.
În acest caz:
unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie;
datorită diferențelor în impedanțele acustice ale mediilor, unghiul de refracție nu este egal cu unghiul de incidență.
Relația dintre unghiul de incidență (reflexie) și unghiul de refracție este descrisă de formula:
unde n este impedanța acustică,
t este unghiul dintre direcția de propagare a undelor sonore și perpendicularul la limita de fază.
Cu cât unghiul de incidență este mai mic (adică, cu cât direcția propagării undelor sonore este mai apropiată de perpendiculară), cu atât este mai mare fracția undelor reflectate.
Proporția ultrasunetelor reflectate este determinată de trei factori:
diferența dintre impedanța acustică a mediei - cu cât este mai mare această diferență, cu atât mai mare este reflecția;
unghiul de incidență - cu cât este mai aproape de 90 °, cu atât mai mare este reflecția;
raportul dintre dimensiunea obiectului și lungimea de undă - dimensiunea obiectului trebuie să fie de cel puțin 1/4 din lungimea de undă. Pentru a măsura obiecte mai mici, ultrasunetele sunt necesare cu o frecvență mai mare (adică cu o lungime de undă mai mică).
Rezoluția spațială a metodei determină distanța dintre două obiecte, la care se pot distinge în continuare. De exemplu, o frecvență de 2.0 MHz oferă o putere de rezoluție de 1 mm. Cu toate acestea, cu cât frecvența este mai mare, cu atât capacitatea de penetrare mai mică a ultrasunetelor (adâncimea de penetrare): cu atât este mai ușor să atenuați. Astfel, este important să găsim frecvența optimă, care oferă rezoluția maximă cu o putere suficientă de penetrare. În tabel. sunt date valorile "jumătății de amortizare" pentru medii diferite, adică distanțele la care undele ultrasonice cu o frecvență de 2,0 MHz pierd jumătate din energia lor.
Tabelul 1. Valorile de jumătate de atenuare a undelor ultrasonice cu o frecvență de 2,0 MHz în diverse medii
Structuri în care apare o atenuare totală a undelor ultrasonice, cu alte cuvinte, prin care ultrasunetele nu pot penetra, dau în urmă o umbră acustică (umbrire).
Amplitudinea oscilațiilor este distanța pe care particulele oscilante ale mediului se abat de la poziția de repaus. Amplitudinea amplitudinii depinde de proprietățile elastice ale mediului și de puterea undei ultrasonice. Puterea unui val ultrasonic este energia care este transmisă prin suprafața emițătorului ambiental pe unitate de timp. Acest indicator este măsurat în unități de putere convenționale - wați (W).
Cu toate acestea, mai important pentru țesuturile vii este intensitatea ultrasunetelor, care este definită ca puterea pe unitate de suprafață (W / m2 sau W / cm2). Pentru încrederea completă în absența efectelor secundare ale ultrasunetelor asupra corpului, această cifră nu trebuie să depășească 0,05 W / cm2.
Răspândirea unui val longitudinal în țesuturi nu este însoțită de transferul masei de materie în spațiu, ci duce la transferul de energie. Cantitatea de energie transferată prin propagarea valurilor scade, deoarece reflectă și absoarbe prin transferul energiei mecanice în energie termică. Acest efect, complet nesemnificativ la niveluri scăzute ale intensității ultrasunetelor de diagnosticare, este principalul factor care acționează în dispozitivele fizioterapeutice cu ultrasunete. Adâncimea penetrării undei este determinată nu numai de putere, ci și de frecvența vibrațiilor ultrasonice și de proprietățile de elasticitate ale mediului în care sunt emise. Pe de o parte, cu cât lungimea de undă este mai mică (cu cât frecvența este mai mare), cu atât focalizarea mai concentrată va fi radiația; pe de altă parte, cu cât este mai mare frecvența oscilațiilor, cu atât mai mică va fi adâncimea de penetrare a valului ultrasonic în țesuturile corpului. Frecvențele mai mari sunt absorbite mai repede decât cele mai mici. Frecvențele joase penetrează mai bine în țesuturi. O mare importanță este contactul pielii, gelului și senzorului. Dacă obiectul studiat este prea superficial, se poate folosi o garnitură specială pentru acest tip de senzor.
Folosit pentru scopuri de diagnosticare a frecvențelor de ultrasunete (aproximativ în intervalul de la 2 la 15 MHz) permite de a primi razele înguste de radiație cu ultrasunete care trece printr-o divergență mică a țesutului corpului uman. Reduce divergența obiectivelor cu ultrasunete "speciale". În acest caz, frecvența 2-3,5 MHz furnizează vizualizare la o adâncime de 15-20 cm, cu o frecvență de funcționare senzor de 7,5 MHz - numai structurile superficiale ale corpului (nu mai mult de 4-5 cm). La frecvențe mai mari, lungimea de undă este mai scurtă. Liniile de undă mai scurte fac posibilă distingerea obiectelor reflectate situate la o distanță mai apropiată. Prin urmare, dacă se utilizează frecvențe mai mari, rezoluția este mai mare, dar puterea de penetrare este mai mică.
Stofele pot absorbi (transforma în căldură), refractă (se îndoaie ca undele luminoase), împrăștie și reflectă undele de sunet. Reflecția poate fi difuză (ca pe un ecran de proiecție) sau oglindă (ca într-o oglindă).
Reflecția undelor ultrasonice constituie principiul de bază al funcționării echipamentelor moderne de ultrasunete de diagnostic care funcționează în modul ecolocație. O parte din direcția lărgimii a energiei undei ultrasonice se reflectă la limita neomogenitati tisulare structura internă a organelor și țesuturilor și cauzează piezoelectric microstrain senzori Element și apariție în acesta (pe principiul efectului piezoelectric direct) impuls electric indicativ al structurii interne a regiunii investigate.
La valori apropiate ale rezistențelor acustice, cea mai mare parte a energiei cu ultrasunete trece prin limita a două medii. Cu toate acestea, echipamentul modern este capabil să reproducă pe ecran o reflectare mai mică de 1% din puterea sa. Reflexia va fi direct proporțională cu diferența de rezistență acustică la interfața dintre două medii neomogene (țesuturi). Rezistența acustică depinde de densitatea țesutului și de viteza de propagare a ultrasunetelor în el. Se exprimă prin formula:
Z - rezistență acustică kg / m2 / s,
P este densitatea mediei kg / m3,
c este viteza de propagare a ultrasunetelor, m / s.
Coeficientul de reflexie este ușor de determinat dacă rezistențele acustice ale primului și celui de-al doilea suport sunt cunoscute:
Ra este coeficientul de reflexie a amplitudinii,
Z1 și Z2 - rezistența acustică a mediilor.
Este clar că cu cât este mai mare diferența dintre rezistențele acustice ale celor două medii, cea mai mare parte a energiei valurilor va fi reflectată la limita lor. Acesta este motivul pentru care în cercetare este atât de important să se creeze un strat acustic între senzor și pielea, provocând o unsoare specială de contact, bun conductor de vibrații cu ultrasunete și pentru a minimiza astfel reflexia. Cel mai mic strat de aer duce la o reflectare aproape completă a undelor ultrasonice și la imposibilitatea de a obține informații de diagnosticare.
Absorbția caracterizează cantitatea de energie a undei ultrasonice, care se pierde în termeni de un anumit volum de țesut prin care trece valul. Acest proces proporțional: o anumită fracțiune din energie se pierde atunci când sunetul trece la o anumită adâncime. Rata pierderii este, de asemenea, invers proporțională cu frecvența: cu cât frecvența este mai mare, cu atât mai rapid are loc pierderea. Decibele determină energia sonoră la scară logaritmică, astfel încât o pierdere de aproximativ 3 dB înseamnă că energia sunetului a devenit mai slabă cu un factor de 2. Rata de absorbție depinde de tipul de țesut și în medie este de aproximativ 0,5-1 dB / cm / MHz. Prin urmare, pentru o undă cu o frecvență de 5 MHz, se pierd 2,5-5 dB / cm de energie sonoră, adică energia pe jumătate de undă pe centimetru.
TEMA. Metode de obținere a unei imagini ecografice.
1. Pregătirea vibrațiilor cu ultrasunete.
2. Metode de bază pentru ecolocație, utilizate în medicină.
1. Pregătirea vibrațiilor cu ultrasunete. Pentru a obține vibrațiile ultrasonice în dispozitivele tehnice și medicale, se folosește fenomenul efectului piezoelectric invers - oscilațiile unei plăci din material piezoelectric sub influența unui curent electric.
La fel de important pentru funcționarea aparatului este principiul efectului piezoelectric direct. Informațiile despre structura internă a organelor și țesuturilor corpului uman sunt transmise prin reflectarea de către ele a unui val ultrasonic. Când acționează asupra elementului piezoelectric al senzorului, se formează sarcini electrice care, după transformările corespunzătoare, formează o imagine pe ecranul dispozitivului.
Elementul principal al senzorului este o placă subțire de material cu proprietăți piezoelectrice. În prezent, materialele pentru acest lucru nu sunt naturale (cuarț), ci materiale obținute artificial (titanate de plumb, bariu, etc.). Când o placă de diferență de potențial este adusă pe fețele unei astfel de plăci, deformarea, dilatarea sau contracția acesteia are loc în funcție de polaritatea încărcăturii electrice. Acest fenomen este cunoscut ca efect piezoelectric invers.
Frecvența oscilației plăcii depinde de proprietățile materialului din care este făcut, de grosimea sa și așa mai departe. Cu cât elementul piezoelectric este mai subțire, cu atât este mai mare frecvența rezonantă.
Pentru frecvențe de 10-15 MHz, grosimea plăcii este de numai câteva microni (μm). Timpul în care tensiunea este aplicată pe placa se măsoară franctions și numai în acest timp elementul piezoelectric transmite vibrații ultrasonice antenă -izluchaet țesuturi profunde. Diferența creată de potențialele electrice determină oscilații ale unei plăci dintr-un material piezo-material, care servește ca sursă de undă ultrasonică. Partea reflectată a energiei valurilor determină deformarea plăcii și apariția încărcărilor electrice pe fețele sale.
Trimiteți-le prietenilor: