Какие свойства уз волны используются при медицинских методах исследования
Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны с частотами более 20 кГц.
Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно считать 109 —1010 Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна.
Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта (см. § 12.7). Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации тел под действием электрического поля. Основной частью такого излучателя (рис. 6.13, а) является пластина или стержень 1 из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, керамический материал на основе титаната бария и др.). На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды 2. Если к электродам приложить переменное электрическое напряжение от генератора 3, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствующей частоты.
Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса (см. § 5.5). Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частоте 2,87 МГц, сегнетовой соли — 1,5 МГц и титаната бария — 2,75 МГц.
Приемник УЗ можно создать на основе пьезоэлектрического эффекта (прямой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-волны) возникает деформация кристалла (рис. 6.13, б), которая приводит при пьезоэффекте к генерации переменного электрического поля; соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.
Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. Рассмотрим этот вопрос.
По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракция волн (см. § 19.5) существенно зависит от соотношения длины волны и размеров тел, на которых волна дифрагирует. Непрозрачное (для звука) тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ-волны с длиной 1,4 мм: возникнет «УЗ-тень». Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучи (аналогично преломлению и отражению световых лучей).
Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений (см. § 6.4). Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца — надкостница — кость, на поверхности полых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерывное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.
Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом (см. § 6.4). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.
Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики.
Как видно из (5.56), интенсивность волны пропорциональна квадрату круговой частоты, поэтому можно получить УЗ значительной интенсивности даже при сравнительно небольшой амплитуде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в УЗ-волне, также может быть большим [см. (5.14)], что говорит о наличии существенных сил, действующих на частицы в биологических тканях при облучении УЗ.
Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости — кавитаций.
Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул.
Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты:
— микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;
— разрушение биомакромолекул;
— перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран (см. гл. 11);
— тепловое действие;
— разрушение клеток и микроорганизмов.
Медико-биологические приложения ультразвука можно в основном разделить на два направления: методы, диагностики и исследования и методы воздействия.
К первому направлению относятся локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эх-энцефалография — определение опухолей и отека головного мозга (на рис. 6.14 показан эхоэнцефалограф «Эхо-12»); ультразвуковая кардиография — измерение размеров сердца в динамике; в офтальмологии — ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью ультразвукового эффекта Доплера изучают характер движения сердечных клапанов и измеряют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.
Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. На рис. 6.15показан используемый для этих целей аппарат УТП-ЗМ. Воздействие ультразвуком на пациента производят с помощью специальной излучательной головки аппарата
Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук частотой 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см2 и меньше.
Первичными механизмами ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.
При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.
Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарственных веществ, полученные с помощью ультразвука.
В настоящее время разработан новый метод «сваривания» поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез).
Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации.
Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного прибора «Ориентир» можно обнаруживать предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м.
Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений поистине огромна. Так, можно ожидать, например, появления принципиально новых методов диагностики с внедрением в медицину ультразвуковой голографии (см. § 19.8).
Главная
Наши награды
Документы
Торговая марка
Прайс-лист
Контакты
☰
Ультразвук и его свойства
Ультразвук – это колебания упругой среды с частотой выше
звуковых. К звуковым относят частоты, воспринимаемые человеческим ухом и
попадающие в диапазон от 15 Гц до 20 КГц (частота 1 Герц соответствует
одному колебанию в секунду). Колебания с частотой менее чем 15 Гц
относятся к инфразвуковым, а с частотой более чем 20 000 Гц относятся к
ультразвуковым.
Ультразвуковые колебания передаются в виде продольных волн,
которые вызывают попеременное сжатие и разрежение среды или вещества.
Амплитуда отклонений частиц среды от исходного состояния зависит от
мощности передаваемой энергии: чем больше мощность – тем значительнее
отклонения. В длину волны укладываются две области: одна область сжатия и
одна область разрежения, при этом длина волны обратно пропорциональна
частоте колебаний.
Низкочастотные ультразвуковые волны распространяются
сферически. С увеличением частоты колебаний уменьшается длина волны, и
пучок ультразвуковых волн становится прямолинейнее. Закономерности
распространения высокочастотных ультразвуковых волн аналогичны
закономерностям распространения световых волн и обладают такими же
свойствами: поглощение, преломление, отражение от границы двух сред.
Именно перечисленные свойства высокочастотных звуковых волн
лежат в основе ультразвуковых методов, применяемых для исследования
объектов в медицине, дефектоскопии, эхолокации и во многих других
областях.
Медицинское применение ультразвука проявляется в
ультразвуковых исследованиях и ультразвуковой терапии.
Методы ультразвуковых исследований основаны на том, что все
внутренние органы обладают различной эхоплотностью. Некоторые практически
без искажений пропускают ультразвуковые волны, другие их преломляют или
поглощают. Например, коэффициент поглощения ультразвука костной тканью в
12 – 15 раз выше по сравнению с мышечной.
Датчик, который врач определенным образом располагает на коже
пациента над областью расположения исследуемого органа, испускает
ультразвуковые волны, которые проходят через тело пациента, а затем,
отразившись от тканей, возвращаются и воспринимаются тем же датчиком.
Встречающиеся на пути следования волн препятствия в виде различных
внутренних органов изменяют ход этих волн. Все эти изменения улавливаются
датчиком, анализируются и отображаются на мониторе аппарата.
Терапевтическое использование ультразвука основано на
возможности получения концентрированных пучков ультразвуковых волн высокой
частоты (800 – 3000 кГц). Пучок таких волн можно локализовать на
определенном участке, добившись точечного воздействия на определенный
внутренний орган.
16.11.2009
Ультразвуковые исследования в медицине
Все ткани организма обладают различным акустическим сопротивлением, то есть,
в различной степени препятствуют распространению ультразвука. При этом величина
сопротивления ультразвуку зависит от плотности исследуемой ткани и скорости ультразвука.
Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление.
Распространение ультразвуковых волн происходит в соответствии с законами геометрической
оптики. В однородной среде ультразвук распространяется прямолинейно и равномерно. Особенные изменения
пучок ультразвуковых волн претерпевает, достигнув границы двух сред с различным акустическим
сопротивлением.
При этом некоторая его часть проникает и начинает распространяться в новой среде, а другая о
тражается от границы сред. Разность величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей
определяет коэффициент отражения пучка. Чем больше различие акустической плотности граничных сред, тем
больше отражение, и это, естественно, отражается на параметрах возвращаемого сигнала.
Таким образом, ультразвуковой метод позволяет определять расстояния до границы разноплотных
сред, основываясь на анализе отраженной от границы раздела волны. Отражение от границ позволяет
определить очертания различных структур. Объекты, не имеющие границ между тканями, ультразвуковые
волны проходят беспрепятственно.
Чем выше частота ультразвуковой волны, тем меньше глубина проникновения в ткань и лучше
разрешение
близко расположенных объектов. Низкие частоты позволяют увеличить глубину проникновения волн, однако при
этом снижается разрешающая способность. Глубина проникновения в ткани ультразвука частотой 800 – 1000
кГц
оценивается в 5 – 6 см, а частотой 2400 кГц в три раза меньше. В небольших дозах ультразвук может
проникнуть
на глубину до 20 см.
Лучше всего ультразвук проникает в жировую ткань, задерживается мышечной и нервной, от костей
отражается до 60% падающей на них энергии ультразвука.
В медицинской ультразвуковой диагностике используют частоты диапазона от 2 до 10 МГц.
Конкретное значение определяется объектом исследования: для исследования органов брюшной полости и
забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 – 3,5 МГц, а для
исследования щитовидной железы – 7,5 МГц.
Таким образом, с помощью УЗИ можно исследовать строение внутренних органов: печени, почек,
поджелудочной железы, желчного пузыря, мочевого пузыря, предстательной железы, сердца, матки, придатков,
яичек, щитовидной железы, молочной железы. УЗИ позволяет оценивать размеры, строение внутренних объектов
(сосудов, протоков и т.п.), найти опухоли, кисты, узлы, кальцинаты.
На основе результатов УЗИ можно оценить функционирование сердца и сосудов, исследовать
нарушение
кровотока за счет сужения или сдавливания сосудов, определять наличие тромбов. УЗИ позволяет выявлять
травматические повреждения органов, внутренние кровотечения, воспалительные инфильтраты и некоторые
другие
нарушения.
УЗИ дает возможность установить факт беременности и осуществлять контроль за состоянием плода
на
протяжении беременности.
Поскольку исследования основаны на определении границ с областей различным акустическим
сопротивлением, в обычном режиме нельзя проанализировать состояние кишечника, желудка, легких. Могут
быть
проблемы с визуализацией матки и придатков, зон повреждения сердца при небольшом инфаркте миокарда,
незначительных патологических изменений в органах.
22.01.2010
Электрокардиографические исследования
Электрокардиография — метод исследования сердечной мышцы путём регистрации биоэлектрических
потенциалов
работающего сердца. Сокращению сердца предшествует возбуждение миокарда, сопровождающееся перемещением
ионов через оболочку клетки миокарда, в результате которого изменяется разность потенциалов между
наружной
и внутренней поверхностями оболочки. Измерения при помощи микроэлектродов показывают, что изменение
потенциалов
составляет около 100 мв. В нормальных условиях отделы сердца человека охватываются возбуждением
последовательно,
поэтому на поверхности сердца регистрируется меняющаяся разность потенциалов между уже возбуждёнными и
ещё не
возбуждёнными участками. Благодаря электропроводности тканей организма, эти электрические процессы можно
уловить
и при размещении электродов на поверхности тела, где изменение разности потенциалов достигает 1-3 мв.
Электрофизиологические исследования сердца в эксперименте проводились ещё в 19 веке, однако
внедрение
метода в медицину началось после исследований Эйнтховена в 1903-1924 г., который применил
малоинерционный струнный
гальванометр, разработал обозначение элементов регистрируемой кривой, стандартную систему регистрации и
основные критерии оценки.
Высокая информативность и относительная техническая простота метода, его безопасность и
отсутствие каких-либо
неудобств для больного обеспечили широкое распространение ЭКГ в медицине и физиологии. Основные узлы
современного
электрокардиографа – усилитель, гальванометр и регистрирующее устройство. При записи меняющейся картины
распределения
электрических потенциалов на движущуюся бумагу получается кривая – электро-кардиограмма (ЭКГ), с острыми
и закруглёнными
зубцами, повторяющимися во время каждой систолы. Зубцы принято обозначать латинскими буквами Р, Q, R, S,
Т и U.
Первый из них связан с деятельностью предсердий, остальные зубцы – с деятельностью желудочков
сердца. Форма зубцов
в разных отведениях различна. Снятие ЭКГ у разных лиц достигается стандартными условиями регистрации:
способом наложения
электродов на кожу конечностей и грудной клетки (обычно используется 12 отведений), определёнными
чувствительностью
аппарата (1 мм = 0,1мв) и скоростью движения бумаги (25 или 50 мм/ сек.). Исследуемый находится в
положении лёжа, в
условиях покоя. При анализе ЭКГ оценивают наличие, величину, форму и ширину зубцов и интервалов между
ними и на этом
основании судят об особенностях электрических процессов в сердце в целом и в некоторой степени – об
электрической
активности более ограниченных участков сердечной мышцы.
В медицине ЭКГ имеет наибольшее значение для распознавания нарушений сердечного ритма, а также
для выявления инфаркта
миокарда и некоторых других заболеваний. Однако изменения ЭКГ отражают лишь характер нарушения
электрических процессов
и не являются строго специфичными для определённой болезни. Изменения ЭКГ могут возникать не только в
результате
заболевания, но и под влиянием обычной дневной активности, приёма пищи, лекарственного лечения и других
причин.
Поэтому диагноз ставится врачом не по ЭКГ, а по совокупности клинико-лабораторных признаков заболевания.
Диагностические
возможности возрастают при сопоставлении ряда последовательно снятых ЭКГ с интервалом в несколько дней
или недель.
Электрокардиограф используется также в кардиомониторах — аппаратах круглосуточного автоматического
наблюдения за состоянием
тяжелобольных — и для телеметрического контроля за состоянием работающего человека – в клинической,
спортивной, космической
медицине, что обеспечивается специальными способами наложения электродов и радиосвязью между
гальванометром и регистрирующим
устройством.
Биоэлектрическая активность сердца может быть зарегистрирована и другим способом. Разность
потенциалов характеризуется
определёнными для данного момента величиной и направлением, то есть является вектором и может быть
условно представлена
стрелкой, занимающей определенное положение в пространстве. Характеристики этого вектора изменяются в
течение сердечного
цикла так, что его начальная точка остаётся неподвижной, а конечная описывает сложную замкнутую кривую.
В проекции на
плоскость эта кривая имеет вид серии петель и называется векторкардиограммой (ВКГ). Приближённо она
может быть построена
графически на основании ЭКГ в разных отведениях. Также её можно получить и непосредственно при помощи
специального аппарата
– векторкардиографа, регистрирующим устройством которого является катодно-лучевая трубка, а для
отведения используются
две пары электродов, размещенных на пациенте в соответствующей плоскости.
Меняя положение электродов, можно получить ВКГ в различных плоскостях и составить более полное
пространственное
представление о характере электрических процессов. В некоторых случаях векторкардиография дополняет
электрофизиологические
исследования, как диагностический метод. Изучение электрофизиологических основ и клинического применения
электрофизиологических
исследований и векторкардиографии, совершенствование аппаратов и методов регистрации — предмет особого
научного раздела
медицины — электрокардиологии.
В ветеринарии электрокардиография применяется у крупных и мелких животных для диагностики
изменений в сердце, возникающих
в результате некоторых незаразных или инфекционных болезней. С помощью электрокардиографии у животных
определяют нарушения
сердечного ритма, увеличение отделов сердца и другие изменения в сердце. Электрокардиография позволяет
контролировать действие
на сердечную мышцу животного применяемых или испытываемых лекарственных средств.
02.04.2010
Ультразвуковые датчики
Сонографические аппараты, применяемые в настоящее время работать с различными типами датчиков,
что позволяет использовать
их и для ультразвуковой диагностики и при интенсивной терапии и неотложной помощи.
Обращение с датчиками требует осторожности: нельзя допускать падения датчиков, перекручивания
или растяжения кабеля.
Датчик следует располагать в висящем положении, кабель не должен быть сжат или перекручен в месте
соединения с датчиком.
Наиболее распространены датчики трех типов: линейные, секторальные и конвексные.
Линейные датчики испускают звуковые волны параллельно друг другу и создают прямоугольное
изображение.
Ширина изображения и количество линий сканирования постоянны по всей глубине. Линейные датчики
отличаются хорошей
разрешающей способностью в ближнем поле. Их используют с частотой 5.0—7.5 МГц и выше для исследования
мягких
тканей и щитовидной железы.
Недостатком линейных датчиков является большая площадь рабочей поверхности, что ведет к
появлению искажений
при прикладывании к искривленной поверхности тела. Кроме того акустическая тень, например от ребер,
может портить изображение.
Линейные датчики не пригодны для исследования органов грудной клетки или верхней части живота.
Секторальные датчики дают веерообразное изображение, узкое вблизи датчика и расширяющееся по
мере
увеличения глубины. Такое расходящееся распространение звука получается за счет механического движения
пьезоэлементов.
Секторальные датчики дешевле, но отличаются слабой износостойкостью. Электронный вариант с
фазовым управлением
более дорогой, но используются преимущественно в кардиологии. Рабочая частота секторальных датчиков
2.5—3.0 МГц. Избежать помех,
вызываемых отражением звука ребрами, можно избежать, прикладывая датчик в межреберные промежутки и
выбирая оптимальное
расхождение луча в диапазоне 60—90° для увеличения глубины проникновения.
Недостатками датчиков секторального типа являются низкая разрешающая способность в ближнем
поле,
уменьшение количества линий сканирования с увеличением глубины, а также сложности в использовании.
Конвексные (искривленные) датчики используются преимущественно в абдоминальных исследованиях.
Средние рабочие
частоты датчиков 3.5—3.75 МГц. Конструкция искривленных датчиков получена путем компромисса между
линейными и
секторальными датчиками.
Конвексный датчик дает широкую ближнюю и дальнюю зоны изображения, он легче в использовании,
чем секторальный датчик.
При этом плотность линий сканирования с увеличением расстояния от датчика уменьшается. При сканировании
органов верхней части живота необходимо аккуратно управлять датчиком, чтобы избежать появления
акустической тени от нижних ребер.
02.02.2011