Физика ультразвука.

Физика ультразвука



Физика ультразвука

Ультразвуковые волны впервые получил в 1889 г. K Konig с помощью вибрации миниатюрных сверхзвуковых камертонов. Впоследствии ультразвуковые колебания были воспроизведены в 1906 г. П.Н. Лебедевым при электрическом разряде искры. Современная техника позволяет получать ультразвуковые колебания различной частоты и интенсивности, используя кристаллы с пьезоэлектрическими свойствами.
Ультразвук широко применяется в промышленности. С помощью отраженных ультразвуковых волн удается обнаружить внутренние дефекты в металлических конструкциях и определить глубину их залегания. Развитие ультразвуковой дефектоскопии связано с именем советского ученого С.Я. Соколова (1928). В последние два десятилетия стало возможным изучение отраженных ультраакустических волн от различных биологических объектов (печени, мозга, сердца и др.). Поэтому, последнее время в связи с широким применением ультразвуковых приборов в медицине произошла революция в диагностике различных заболеваний
Ультразвуковая волна представляет собой распространение упругих колебаний в материальной среде. К ультразвуку относятся колебания с частотой свыше 20 000 Гц, которые не воспринимаются органами чувств. В диагностических целях в медицине используют ультразвуковые колебания с частотой 2 - 10 МГц. Ультразвуковая волна это сочетание упругих компрессий и разрежений ( одна компрессия и одно разрежение представляет собой цикл волны). Длина волны - это расстояние от пика одного цикла до пика следующего цикла. Частота ультразвуковой волны - число циклов в определенный промежуток времени. Скорость ультразвуковой волны - произведение частоты на длину волны. Скорость, с которой ультразвук проходит через определенную среду, зависит от ее плотности, эластических свойств и температуры.
Ультразвуковая волна может быть направлена в виде луча в определенном направлении, подчиняется законам преломления, отражения и поглощения, отражается объектами малого радиуса ( форменные элементы крови).
Для мягких человеческих тканей скорость распространения ультразвука приблизительно одинакова и равна 1540 м/с, а для более плотной костной ткани - 3370 м/с. В аспекте ультразвукового исследования человеческая ткань представляет сочетание сред различной акустической плотности ( мышцы, костная ткань, кровь и т.д.). При прохождении через гомогенную ткань с одной акустической плотностью ультразвуковой луч распространяется по прямой линии, но на границе со средой с другим акустическим сопротивлением ультразвуковой луч подвергается преломлению и отражению, т.е. ультразвуковая волна на границе двух сред частично преломляется, частично отражается и продолжает свой путь. Степень отражения зависит от величины разности плотностей двух сред: чем больше эта разность, тем больше степень отражения. Например, отражение на поверхности между тканью и воздухом будет значительно больше, чем отражение на поверхности между тканью и жидкостью при условии одинакового угла падения. Добавим, что угол падения луча на границе двух сред тоже влияет на величину отраженного луча: чем ближе угол падения к прямому (углу), тем меньше величина отраженного луча.
Ультразвуковой луч способен отражаться от объектов при условии, что их величина составляет не менее 1/4 длины ультразвукового луча. Таким образом, чем больше частота излучаемого ультразвука (т.е. чем меньше длина волны), тем больше разрешающая способность ультразвукового аппарата. Наиболее часто используемая частота ультразвукового луча - 3 МГц. Ультразвуковой луч с частотой 3 МГЦ позволяет зарегистрировать отстоящие друг от друга предметы на расстоянии 1 мм; таким образом разрешающая способность такого ультразвукового луча 1 мм. Однако при использовании высокой частоты ультразвукового луча с большой разрешающей способностью значительная часть посылаемой энергии тратится на отражение многих малых поверхностей, а небольшая оставшаяся часть проникает дальше, в глубь тканей человека. Таким образом, чем больше частота ультразвукового луча и, следовательно, чем больше разрешающая способность ультразвукового луча, тем меньше глубина его проникновения.


ДАТЧИКИ И УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОЛНА

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи или трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы. С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный электрический ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться) , генерируя ультразвуковое поле. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик Поэтому термины " преобразователь " , " датчик " , " трансдьюсер ". являются синонимами.

ЭФФЕКТ ДОППЛЕРА
Это изменение частоты слышимого звука, когда наблюдатель или источник двигаются относительно друг друга. Эффект Доплера применяется в медицине. Ультразвуковой луч, направленный на какой-либо движущийся объект, отражается от него (форменные элементы крови, створки клапана) и направляется обратно к датчику, но уже с другой частотой, отличной от излучаемой. Таким образом, мы можем измерить скорость потоков крови и направление движения крови.


Учитывая, что ультразвуковой луч практически не проходит через воздушную среду и хорошо распространяется через плотные органы, то ультразвук наиболее широко применяется для исследования следующих органов: печень, почки, желчный пузырь, поджелудочная железа, матка, щитовидная и грудные железы, глаза, а также сердце и сосуды. Ультразвук не применяется для исследования легких. При исследовании сердца ультразвук помогает уточнить диагноз пороков сердца, опухолей, и др. Это единственный диагностический метод в медицине, который позволяет видеть сердце изнутри в реальном времени. Это помогает диагностировать пороки в раннем детском возрасте, практически с рождения, а иногда и раньше, у плода и вовремя прооперировать. В отличие от рентгеновских и радиоизотопных методов ультразвуковой метод является практически безвредным.
УЗ - диагностика постоянно совершенствуется, появляются новые приборы с новыми возможностями. В дальнейшем будут улучшаться допплеровские методики, особенно такие, как энергетический Допплер, допплеровская цветовая визуализация тканей. Появились приборы 5-го поколения, например "Sequoia" фирмы Acuson . С помощью применения компьютерных технологий можно произвести трехмерную ре