До
Рекомендовано до видання в якості курсу лекцій за фахом «Ультразвукова діагностика» Навчально-методичною радою БелМАПО
Розділ 2.1. Фізичні основи ультразвуку.
2.1.1.
ТЕМА. Основні положення акустики.
1.Історія питання використання ультразвуку в медицині.
2.Фізіческіе основи акустики.
3.Фізіческіе аспекти ультразвуку, що знайшли застосування в медицині.
1. Історія питання використання ультразвуку в медицині.
Вивчення принципів ультразвукової діагностики передбачає знання елементарних теоретичних основ акустики. Здогад про те, що причиною безпомилкового польоту кажанів в темряві є нечутні людським вухом зву-кові коливання, висловив в кінці XVI-гo століття італієць Спаланцани, однак, для її практичного підтвердження знадобилося півтора століття. Офіційна історія вивчення ультразвуку починається в 1880 році, коли видатний фізик П'єр Кюрі, працюючи разом з братом Жаком, відкрив явище п'єзоефекту, суть якого за-лягає у появі на гранях кварцової пластинки при її стисненні електричних зарядів. Через рік це явище, що отримало назву прямого п'єзоефекту, було теоретично обгрунтовано іншим французьким вченим Г. Ліпманом, який також описав і принцип зворотного п'єзоефекту -деформаціі пьезоматеріала під дією різниці електричних потенціалів. Протягом декількох десятиліть ці відкриття не отримували належного визнання і застосування. Лише в 1916 році починається практичне використання ультразвукового пристрою -на підводних човнах встановлюються перші ультразвукові ехолокатори для виявлення кораблів противника.
У 1929 році російським дослідником С.Я.Соколовим були закладені основи ультразвукової дефектоскопії в техніці і промисловості (виявлення прихованих дефектів в металевих виробах, бетонних блоках і т.п.). Для цього створюються спеціальні ультразвукові пристрої, які послужили згодом прототипами медичних діагностичних апаратів. З їх допомогою і були зроблені окремі спроби отримання ультразвукової інформації про стан внутрішніх органів людини. Незабаром з'являються перші, відносно прості по пристрою медичні апарати, що працюють в одновимірному режимі. Вони зробили можливим в експерименті та клінічній практиці побачити зображення каменів жовчного міхура, зареєструвати зсув серединних структур головного мозку при наявності в порожнині черепа гематоми або пухлини та ін. В середині 50-х років починається успішне застосування ультразвукового діагностичного методу в офтальмології, публікуються перші роботи по діагностиці пухлин молочної залози. Це час зазначено появою апаратів, що дають двовимірне (В-метод) зображення внутрішніх органів (ультразвукову томограму), а також теоретичними і експериментальними дослідженнями застосування доплеровских систем в діагностиці.
Протягом наступних 15-20 років апаратура значно удосконалюється, створюються пристрої «сірої шкали», що дають зображення з великою кількістю деталей і тонкими градаціями структури, розробляються перші моделі апаратів швидкого сканування (в реальному масштабі часу). Поступово формується образ сучасного ультразвукового діагностичного апарату, оснащеного великою кількістю змінних датчиків, що має вбудовані блоки для вимірювань, розрахунків різних біологічних параметрів і, нарешті, систему комп'ютерної обробки зображення.
2. Фізичні основи акустики. Область фізики, що вивчає коливальні рухи в пружних (твердої, рідкої і газоподібної) середовищах, називається акустикою. Акустика спочатку виникла як наука, що досліджує звукові, тобто чутні вухом, коливання. Але, в даний час предметом вивчення акустики є і інші механічні коливання, які недоступні слуху людини через дуже низькою (інфразвук) або високою (ультразвук) і надвисокої (гіперзвук) частоти.
Ультразвукова хвиля - це звукові коливання, що перевершують по частоті певний поріг. Діапазон чутності звуку у людини становить 20-20 000 Гц. Діапазон чорно-білого зображення ультразвуку (режим сірої шкали) 2-15 МГц; доплеровские частоти трохи нижче.
У діагностичної апаратури використовується лише відносно невеликий ділянку ультразвукового діапазону. Це пов'язано з тим, що коливання високої частоти не можуть глибоко проникати в тканини, а низькі частоти не забезпе-печивают достатньої якості зображення через невисокий дозволу. Найвищі робочі частоти мають датчики офтальмологічних апаратів, низькі - ультразвукових остеометрія і сінускопов.
Звуковими, а також ультра, гіпер- або інфразвуковими - в залежності від частоти називаються коливання, що поширюються в вигляді поздовжньої хвилі. Поздовжня хвиля являє собою періодичні (повторювані) переміщення частинок середовища вперед-назад від положення рівноваги. При цьому, одні частинки середовища штовхають інші, що знаходяться перед ними і повертаються на місце. Така хвиля називається поздовжньою, оскільки переміщення частинок середовища відбувається у напрямку впливу, що обурює фактора, на відміну від поперечної хвилі, коли напрямок коливань частинок перпендикулярно діючій силі.
Коливальні рухи описуються значенням ряду параметрів: амплітуди, періоду, частоти коливань, довжини хвилі і ін.
У тканинах тіла поширюються тільки поздовжні хвилі, які являють собою зворотно-поступальні переміщення частинок середовища. Так як поздовжня хвиля являє собою чергуються зони розрідження і стиску речовини середовища, частота коливань є числом стиснень і розрідження в одиницю часу. Вимірюється ця величина в герцах (1 Гц = одному стиску + розрідженню за одну секунду). Період коливань - це час, за який відбувається одне стиснення і одне розрідження, тобто величина, зворотна частоті коливань.
де Т - період коливань, с;
f-частота коливань, Гц.
Довжина хвилі характеризується відстанню між сусідніми ділянками з однаковим ступенем розрідження або стиснення. Це відстань проходить хвиля за період одного коливання.
Довжина хвилі, частота, період і швидкість поширення коливань пов'язані між собою простою залежністю:
де X-довжина хвилі, м;
v - швидкість поширення хвилі, м / с;
f - частота коливань, Гц;
Т- період коливань, сек, тобто
При постійній швидкості звуку ці величини обернено пропорційні. При збільшенні частоти довжина хвилі зменшується, і навпаки.
Швидкість поширення хвилі визначається як відстань, пройдену хвилею в середовищі за 1 секунду. Цей параметр залежить перш за все від властивостей середовища (щільності, однорідності) і лише в невеликих межах від зміни температури. Температура тіла людини є практично постійною величиною, її коливання в кілька десятих часток градуса істотно не впливають на швидкість ультразвуку.
X-довжина хвилі (м); f-частота коливань (Мгц).
3. Фізичні аспекти ультразвуку, що знайшли застосування в медицині. Швидкість, з якою ультразвук поширюється в середовищі, залежить від властивостей цього середовища, зокрема, від її щільності. Швидкість поширення ультразвуку в тканинах людини при температурі 37 ° С дорівнює 1540 м / с. Для швидкості ультразвуку 1540 м / сек, довжина хвилі становить 0,44 мм на частоті 3,5 МГц, близько 0,3 мм на частоті 5 МГц.
Якщо щільність, структура і температура однакові по всій середовищі, то таке середовище називається гомогенною. У гомогенної середовищі хвилі поширюються лінійно. Різні середовища мають різні властивості, з яких для нас особливо важливий акустичний імпеданс. Акустичний імпеданс дорівнює добутку щільності середовища на швидкість поширення в ній звуку і характеризує ступінь опору середовища поширенню звукової хвилі. Швидкість поширення ультразвукової хвилі в тканинах практично постійна, тому в ехокардіографії акустичний імпеданс - лише функція щільності тієї чи іншої тканини. Різні тканини: міокард, перикард, кров, стулки клапанів і т. Д. - мають різну щільність. Навіть при незначному відмінності щільності між середовищами виникає ефект «розділу фаз». Ультразвукова хвиля, що досягла межі двох середовищ, може відбитися від кордону або пройти через неї.
При цьому:
кут падіння дорівнює куту відбиття;
через відмінності акустичних імпедансів середовищ кут заломлення НЕ дорівнює куту падіння.
Співвідношення між кутом падіння (відображення) і кутом заломлення описується формулою:
де n - акустичний імпеданс,
t - кут між напрямком поширення звукової хвилі і перпендикуляром до межі фаз.
Чим менше кут падіння (т. Е. Чим ближче напрям поширення звукової хвилі до перпендикуляру), тим більше частка відбитих звукових хвиль.
Частка відбитого ультразвуку визначається трьома факторами:
різницею акустичного імпедансу середовищ - чим більше ця різниця, тим більше відображення;
кутом падіння - чим ближче він до 90 °, тим більше відображення;
співвідношенням розмірів об'єкта і довжини хвилі - розміри об'єкта повинні бути не менше 1/4 довжини хвилі. Для вимірювання менших об'єктів потрібно ультразвук з більшою частотою (т. Е. З меншою довжиною хвилі).
Просторова роздільна здатність методу визначає відстань між двома об'єктами, при якому їх ще можна розрізнити. Наприклад, частота 2,0 МГц дає роздільну здатність в 1 мм. Однак, чим вище частота, тим менше проникаюча здатність ультразвуку (глибина проникнення): тим легше відбувається його затухання. Таким чином, важливо знайти оптимальну частоту, яка дає максимальну роздільну здатність при достатній проникаючої здатності. У табл. наведені значення «половинного загасання» для різних середовищ, т. е. відстані, на яких ультразвукові хвилі з частотою 2,0 МГц втрачають половину своєї енергії.
Таблиця 1. Значення половинного загасання ультразвукових хвиль з частотою 2,0 МГц в різних середовищах
Структури, в яких відбувається повне затухання ультразвукових хвиль, іншими словами, через які ультразвук не може проникнути, дають позаду себе акустичну тінь (shadowing).
Амплітуда коливань є відстань, на яке коливаються частки середовища відхиляються від положення спокою. Величина амплітуди залежить від пружних властивостей середовища і від потужності ультразвукової хвилі. Потужність ультразвукової хвилі - це енергія, яка передається через навколишнє випромінювач поверхню в одиницю часу. Даний показник вимірюється в звичайних одиницях потужності - ватах (Вт).
Однак, більш важливою для живих тканин характеристикою є інтенсивність ультразвукового випромінювання, яка визначається як потужність, що припадає на одиницю площі (Вт / м2 або Вт / см2). Для повної впевненості у відсутності побічних впливів ультразвуку на організм цей показник не повинен перевищувати 0,05 Вт / см2.
Поширення поздовжньої хвилі в тканинах не супроводжується перенесенням маси речовини в просторі, але призводить до переносу енергії. Кількість переносної енергії у міру поширення хвилі зменшується, так як відбувається її віддзеркалення і поглинання з переходом механічної енергії в теплову. Цей ефект, абсолютно незначний при малих рівнях інтенсивності діагностичного ультразвуку, є основним чинником, що діє в фізіотерапевтичних ультразвукових пристроях. Глибина проникнення хвилі визначається не тільки потужністю, але і частотою ультразвукових коливань, а також властивостями пружності середовища, в яку вони випромінюються. З одного боку, чим менше довжина хвилі, (тобто вище частота), тим більш спрямованим, сфокусованим, буде випромінювання; з іншого - чим вище частота коливань, тим меншою буде глибина проникнення ультразвукової хвилі в тканини тіла. Великі частоти поглинаються швидше, ніж менші. Низькі частоти краще проникають в тканини. Велике значення має контакт шкіри, гелю і датчика. Якщо досліджуваний об'єкт розташований занадто поверхово, для даного типу датчика можна використовувати спеціальну прокладку.
Використовувані в діагностичних цілях частоти ультразвуку (приблизно в діапазоні від 2-х до 15-ти МГц) дозволяють отримати вузькі пучки ультразвукового випромінювання, що проходять з невеликим розходженням через тканини організму людини. Зменшують розбіжність ультразвукового променя спеціальні «фокусировочниє лінзи». При цьому, частоти 2-3,5 МГц забезпечують візуалізацію на глибині більше 15-20 см, а датчик з робочою частотою 7,5 МГц - тільки поверхнево розташованих структур організму (не більше 4-5 см). При великих частотах довжина хвилі менше. Більш короткі хвилі дозволяють розрізняти відображають об'єкти, розташовані на більш близькій відстані. Отже, при використанні більш високих частот дозвіл вище, але менше проникаюча здатність.
Тканини можуть поглинати (перетворювати в тепло), заломлювати (згинати подібно до світлових хвиль), розсіювати і відображати звукові хвилі. Відображення може бути дифузним (як на проекційному екрані) або дзеркальним (як в дзеркалі).
Відображення ультразвукової хвилі становить основний принцип дії сучасної діагностичної ультразвукової апаратури, що працює в режимі ехолокації. Частина спрямованої вглиб тканин енергії ультразвукової хвилі відбивається на кордоні неоднорідностей внутрішньої структури органів і тканин організму і викликає мікродеформацій пьезоелемента датчика і поява в ньому (за принципом прямого п'єзоефекту) електричного імпульсу, що несе інформацію про внутрішню будову досліджуваної області.
При близьких значеннях акустичних опорів велика частина ультразвукової енергії проходить через кордон двох середовищ. Однак сучасна апаратура здатна відтворювати на екрані відображення менше 1% її потужності. Відображення буде прямо пропорційно різниці акустичного опору на кордоні розділу двох неоднорідних середовищ (тканин). Акустичний опір залежить від щільності тканини і швидкості поширення в ній ультразвуку. Воно виражається формулою:
Z - акустичний опір кг / м2 / с,
Р - щільність середовища кг / м3,
с - швидкість поширення ультразвуку, м / с.
Коефіцієнт відображення легко визначити, якщо відомі акустичні опору першої і другої середовищ:
Ra - коефіцієнт відбиття за амплітудою,
Z1 і Z2 - акустичні опору середовищ.
Зрозуміло, що чим більша різниця між акустичними опорами двох середовищ, тим більша частина енергії хвилі відіб'ється на їх кордоні. Саме тому при проведенні дослідження так важливо створити акустичну прошарок між датчиком і шкірою, завдавши спеціальну контактну мастило, добре проводить ультразвукові коливання і тим самим звести до мінімуму їх відображення. Найменша повітряний прошарок призводить до майже повного відбиття ультразвукової хвилі і неможливості отримання будь-якої діагностичної інформації.
Поглинання характеризує кількість енергії ультразвукової хвилі, яке втрачається в перерахунку на певний обсяг тканини, через яку проходить хвиля. Цей пропорційний процес: певна частка енергії втрачається при проходженні звуку на дану глибину. Швидкість втрати також обернено пропорційна частоті: чим більше частота, тим швидше відбувається втрата. Децибели визначають енергію звуку в логарифмічною шкалою, тому втрата приблизно 3 дБ означає, що звукова енергія стала слабшою в 2 рази. Швидкість поглинання залежить від типу тканини і в середньому становить приблизно 0,5-1 дБ / см / МГц. Отже, для хвилі з частотою 5 МГц втрачається 2,5-5 дБ / см звукової енергії, тобто половина енергії хвилі на кожен сантиметр.
ТЕМА. Методи отримання ехографічного зображення.
1. Отримання ультразвукових коливань.
2. Основні методи ехолокації, що застосовуються в медицині.
1. Отримання ультразвукових коливань. Для отримання ультразвукових коливань в технічних і медичних апаратах використовується явище зворотного п'єзоефекту - коливання пластинки з пьезоматеріала під впливом електричного струму.
Не менше значення для роботи апаратури має і принцип прямого п'єзоефекту. Інформація про внутрішню будову органів і тканин тіла людини передається відображенням від них ультразвукової хвилі. При її впливі на п'єзоелемент датчика в ньому утворюються електричні заряди, які після відповідних перетворень утворюють зображення на екрані пристрою.
Основний елемент датчика є тонкою пластину з матеріалу, що володіє п'єзоелектричними властивостями. В даний час матеріалом для цього слугують не природні (кварц), а отримані штучним шляхом матеріали (титанати свинцю, барію та ін.). При підведенні до граней такої пластинки різниці потенціалів відбувається її деформація - розширення або стиснення в залежності від полярності електричного заряду. Це явище відоме як зворотний п'єзоефект.
Частота коливань пластини залежить від властивостей матеріалу, з якого вона зроблена, її товщини і т.п. Чим тонше п'єзоелемент, тим вище його резонансна частота.
Для частот 10-15 МГц товщина пластини становить всього кілька мікронів (мкм). Час, протягом якого на пластину подається напруга, вимірюється мільйонними частками секунди і лише протягом цього часу п'єзоелемент є передавальною антеною -ізлучает ультразвукові коливання вглиб тканин. Створена різниця електричних потенціалів викликає коливання пластинки з пьезоматеріала, що служить джерелом ультразвукової хвилі. Відбилася частина енергії хвилі викликає деформацію пластини і поява електричних зарядів на її гранях.