Ультразвук и его применение в медицине

Струя жидкости, выходя из сопла с  большой скоростью, разбивается  об острый край пластинки, по обе стороны  которой возникают завихрения, вызывающие изменения давления с большой  частотой.

Для работы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см². частота колебаний такого генератора определяется соотношением:

, где v – скорость жидкости, вытекающей из сопла; d – расстояние между острием и соплом.

Гидродинамические излучатели в жидкости дают относительно дешевую УЗ энергию на частотах до 30¸40 кГц при интенсивности в непосредственной близости от излучателя до нескольких Вт/см².

Механические  излучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне  звуковых волн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их изготовление не дорого, но они не могут создавать монохроматическое  излучение и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие излучатели отличаются нестабильностью частоты и амплитуды, однако при излучении в газовых средах они имеют относительно высокую эффективность и мощность излучения: их кпд составляет от нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятков кВт.

Электроакустические преобразователи.

Излучатели  второго типа основываются на различных  физических эффектах электромеханического преобразования. Как правило, они линейны, то есть воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном УЗ диапазоне применяются электродинамические излучатели и излучающие магнитострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Наиболее широкое распространение получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрического типов.

В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное  поле, изменяют свои размеры. Это явление  назвали магнитострикционным эффектом. Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока.

Чтобы частота колебаний излучателя соответствовала  частоте возбуждающего тока, в  обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного  излучателя увеличивается амплитуда  переменной магнитной индукции, что  приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности.

Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ магнитострикционных преобразователей (рис. 3).

Рис.3 Магнитострикционный преобразователь

Эти преобразователи отличаются большими относительными деформациями, повышенной механической прочностью, малой чувствительностью  к температурным воздействиям. Магнитострикционные  преобразователи имеют небольшие  значения электрического сопротивления, в результате чего для получения  большой мощности не требуются высокие  напряжения.

Чаще  всего применяют преобразователи  из никеля (высокая стойкость против коррозии, низкая цена). Магнитострикционные  сердечники могут быть изготовлены  и из ферритов. У ферритов высокое  удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них  ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий  материал, что вызывает опасность  их перегрузки при большой мощности. Кпд магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и  твердое тело составляет 50¸90%., интенсивность излучения достигает нескольких десятков Вт/см².

В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри открыли  пьезоэлектрический эффект – если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Наблюдается и обратное явление – если к электродам кварцевой пластинки подвести электрический заряд, то ее размеры уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого заряда. При изменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, то есть она будет колебаться в такт с изменениями знаков приложенного напряжения. Изменение толщины пластинки пропорционально приложенному напряжению.

Принцип пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении излучателей УЗ колебаний, которые преобразуют  электрические колебания в механические. В качестве пьезоэлектрических материалов применяют кварц, титанат бария, фосфат аммония.

Кпд пьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность излучения  – несколько десятков Вт/см². Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют УЗ концентраторы. В диапазоне средних УЗ частот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в виде пьезоэлектрического преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюся волну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 10⁵-10⁶ Вт/см².

Приемники ультразвука.

В качестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такие приемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то есть временную зависимость звукового давления. В зависимости от условий применения приемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового поля используют термическими приемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов. Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими методами, например по дифракции света на УЗ.

 

Использование в медицине 

Давно известно, что ультразвуковое излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил повреждающее действие ультразвукового излучения на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что ультразвуковые волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Этот интерес не ослабевал и в дальнейшем, причем развитие медицинских приложений шло по самым различным направлениям;  особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии.

Тем не менее, лишь сравнительно недавно стал намечаться истинно  научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии ультразвукового излучения с биологической средой.

С применением ультразвука  в медицине связано множество  разных аспектов. Однако, при этом  физика явления должна включать следующие процессы: распространение ультразвука в «биологической среде», такой как тело человека, взаимодействие ультразвука с компонентами этой среды и измерения и регистрация акустического излучения, как падающего на объект, так и возникающего в результате взаимодействия с ними.

Проблема интерпретации  взаимодействия акустического излучения  с биологической средой существенно упрощается, если последнюю рассматривать не как твердое тело, а как жидкость. В такой среде нет сдвиговых волн, поэтому теория  распространения волн проще, чем для твердого тела. В диапазоне ультразвуковых частот, применяемых в медицинской акустике, это предположение справедливо почти для всех тканей тела, хотя имеются и исключения, например кость. То, что взаимодействие ультразвука с тканью можно смоделировать его взаимодействием с жидкостями, - важный фактор, повышающий практическую ценность медицинской ультразвуковой диагностики.

 

Прием и измерение  ультразвука

В медицинских или биологических  приложениях необходимость в  приеме и измерении ультразвука возникает в трех обширных областях. Это получение диагностической информации от пациента, измерение акустических полей, которыми могут  облучаться живые клетки и ткани, в том числе и ткани пациентов.

   Ультразвук по  определению не воспринимается непосредственно органами чувств человека, и поэтому необходимо использовать какой-то физический эффект  или последовательность таких эффектов, чтобы действие ультразвука могло проявиться,  причем главным образом количественно. Таким образом, выбор метода для конкретной задачи производится сточки зрения удобства его применения, а также точности измерения интересующего параметра

акустического поля.

 

 

 

Эхо-имульсивные методы визуализации и измерений

   Методы ультразвуковой  эхо-импульсной визуализации уже  нашли широкое и разнообразное применение в медицине. Основным элементом любой системы визуализации является электроакустический преобразователь, который служит для излучения зондирующего акустического импульса в объект и для приема акустических эхо-сигналов, переизлучаемых мишенью.

   Приемник представляет  собой своего рода систему  сопряжения между преобразователем и дисплеем или системой записи, которые применяются для передачи наблюдателю информации, полученной с помощью ультразвука. В хороших системах эхо-сигналы на выходе преобразователя имеют большой динамический диапазон.

  Эхо-импульсные методы в настоящее время стали широко применятся во многих областях медицины.

Акушерство

Акушерство – та область  медицины, где эхо-импульсивные ультразвуковые методы наиболее прочно укоренились как составная часть медицинской практики. Рассматриваемые здесь четыре основных задачи иллюстрируют ценность многих полезных свойств ультразвуковых методов. Надежное определение положения плаценты – задача первостепенной важности в акушерской практике. С развитием техники, обеспечивающее высокое расширение по контрасту, эта процедура стала уже рутинной. Приборы, работающие в реальном времени, эргономически более выгодны, так как позволяют определять положения плаценты быстрее, чем статические сканеры.

Второй вид процедур, ставших  уже привычными, - оценка развития плода  по измерению одного или более  его размеров, таких как диаметр  головки, окружность головки, площадь грудной клетки или живота. Так как даже очень малые изменения этих размеров могут иметь диагностическое значение, эти методы требуют высокой  точности самой аппаратуры и методик ее применения.

Третий вид процедур, появившийся  не так давно и не столь еще укоренившийся в практике, - раннее обнаружение аномалий плода. Это приложение требует особенно хорошего пространственного разрешения и разрешения по контрасту, предпочтительно в сочетании с режимом реального времени и быстрым сканированием. Хорошие методики и качественная аппаратура позволяют обнаруживать такие дефекты, как недоразвитие (гибель) яйца, анэнцефалия (полное или почти полное отсутствие мозга), гидроцефалия (избыток жидкости в мозге, наблюдаемый в виде уширения желудочков), спинальные (позвоночные) дефекты, зачастую необнаружимые биохимическими методами, и дефекты желудочно-кишечного тракта.

 Вспомогательную, но  очень важную роль играет ультразвук  в процедуре амниоцентеза (пункции плодного пузыря) – взятии околоплодных вод для цитологических исследований и выявления возможных генетических нарушений. Ввод иглы при амниоцентезе под контролем ультразвуковой визуализации,обеспечивает значительно большую безопасность этой процедуры.

Наконец, необходимо отметить ультразвуковое исследование движения плода. Это явление лишь недавно стало предметом подробного исследования.  Сейчас происходит накопление большого количества информации как по движению конечностей плода и псевдодыханию, так и по динамике сердца и сосудов. Здесь основной интерес представляет исследования физиологии и развитии плода; до обнаружения аномалий плода пока еще далеко.

 

Офтальмология

   Может быть, из-за  относительно малых размеров  глаза офтальмология несколько выделилась из прочих областей применения ультразвука. Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологии и аномалий структур глаза в случае и непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Здесь также важна точность работы и калибровки аппаратуры, необходимо также уделить особое внимание эффектам, связанным  с преломлением ультразвука в хрусталике и роговице.

  Область позади глаза – орбита – доступна ультразвуковому обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов неинвазивного исследования патологий этой области. Структуры орбиты имеют малые размеры и требуют хорошего пространственного разрешения и разрешения по контрасту, что достижимо на высоких частотах. Практические сложности могут возникать, однако, если пытаться использовать

аппаратуру, характеристики которой заимствованы из телевизионной  техники, а полоса пропускания соответственно ограничена.

 

Исследование внутренних органов

   Под таким заголовком  можно рассмотреть множество  разнообразных задач, в основном связанных с исследованием брюшной полости, где ультразвук используется для обнаружения и распознавания аномалий анатомических структур и тканей. Зачастую задача такова: есть подозрение на злокачественное образование и необходимо отличить его от доброкачественных

или инфекционных по своей  природе образований.

   При исследовании печени кроме важной задачи обнаружения вторичных злокачественных образований ультразвук полезен для решения других задач, включая обнаружение заболеваний и непроходимости желчных протоков, исследования желчного пузыря с целью обнаружения камней и других патологий, исследование цирроза и других доброкачественных диффузных заболеваний печени, а также паразитарных заболеваний, таких как шистосоматоз. Почки – еще один орган, в котором необходимо исследовать различные злокачественные и доброкачественные состояния (включая жизнеспособность после трансплантации) с помощью ультразвука. Гинекологические исследования, в том числе исследования матки и яичников, в течение долгого времени являются главным направлением успешного применения ультразвука. Здесь зачастую также необходима дифференциация злокачественных и доброкачественных образований, что обычно требует наилучшего пространственного и контрастного разрешения. Аналогичные заключения применимы и к исследованию многих других внутренних органов и областей. Возрастает интерес к применению ультразвуковых эндоскопических зондов. Эти устройства, которые можно вводить в естественные полости тела при обследовании или применять при хирургическом  вмешательстве, позволяют улучшить качество изображения из-за более высокой рабочей частоты и/или отсутствия на пути ультразвука таких неблагоприятных акустических сред, как газ или кость.