Ультразвуковая томография

Введение 3
1 Определение метода 4
2 Ультразвук 4
3 Область исследования 8
4 Физические характеристики биологических сред 17
4.1. Скорость ультразвука в биологических средах, отражение и преломление 18
4.2. Акустическое сопротивление, его влияние на отражение ультразвука 20
4.3. Затухание ультразвука в биологических тканях 22
5 Блок-схема проведения исследования. 26
6. Датчики и ультразвуковая волна. 28
7 Биологическое действие ультразвука 36
8 Аппаратная реализация метода 37
Заключение 43
Список использованных источников 44

Ультразвуковая техника начала развиваться во время Первой мировой войны. Именно тогда, в 1914 г., испытывая в большом лабораторном аквариуме новый ультразвуковой излучатель, выдающийся французский физик Поль Ланжевен обнаружил, что рыбы при воздействии ультразвука забеспокоились, заметались, затем успокоились, но через некоторое время стали гибнуть. Так случайно был проведен опыт, с которого началось исследование биологического воздействия ультразвука.
В 1934 г. советский отоларинголог Е.И. Анохриенко ввел ультразвуковой метод в терапевтическую практику и первым в мире осуществил комбинированное лечение ультразвуком и электрическим током.

1 Определение метода

Слово томография можно перевести с греческого как «изображение среза». Назначение томографии заключается в получении послойного изображения внутренней структуры объекта исследования.
Ультразвук— упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц, не слышимые человеческим ухом. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот.
Высокая частота ультразвуковых колебаний и малая длина волн обусловливают ряд специфических свойств, присущих только ультразвуку, а именно:
• Визуальное наблюдение ультразвуковых волн оптическими методами;
• Получать направленное излучение (благодаря малой длине ультразвуковые волны хорошо фокусируются);
• Высокие значения интенсивности при относительно небольших амплитудах колебаний.
...

3 Область исследования

Ультразвуковая томография – это достаточно высоко информативный метод, в исследовании, его применяют для диагностирования забрюшинного пространства, органов брюшной полости, малого таза, мягких тканей туловища, щитовидной железы, сердца, кровеносных сосудов и т.п.
При исследовании органов брюшной полости оценивают печень, желчный пузырь, поджелудочную железу, селезенку, забрюшинное пространство, сосуды.
Оцениваются размеры органов, их внутренняя структура, расположение, наличие дополнительных образований, воспалительных изменений и очагов, выявляются изменения, типичные для хронических заболеваний и травматических повреждений.
...

4 Физические характеристики биологических сред

В ультразвуковой диагностике используются продольные волны, т.е. направление смещения частиц среды распространения совпадает с направлением упругих колебаний этих волн. Колебания рабочей поверхности ультразвукового датчика, контактирующей с телом пациента, передаются биологическим тканям, в результате чего, частицы среды также начинают колебаться относительно своего равновесного состояния, вызывая смещение соседних частиц, далее расположенных от датчика. Таким образом, колебания (или волны) распространяются вглубь тканей.
В ультразвуковых системах излучаются акустические волны и принимаются сигналы, отраженные от неоднородностей биологической среды, и таким образом строится акустическое изображение (Рисунок 17). Этот принцип регистрации сигналов называется эхолокационным, а отраженные сигналы, которые принимаются датчиком, используются для диагностики и называются эхо-сигналами.

Рисунок 17. «Распространение и отражение УЗ волн».
...

4.1. Скорость ультразвука в биологических средах, отражение и преломление

Для всех видов биологических тканей скорость звука (ультразвука) в каждой из них практически не зависит от частоты (или длины волны).
В таблице 1 приведены пределы изменения скорости звука для ряда биологических тканей человека. Кроме этого, для сравнения даны значения скорости звука в воздухе при нормальных условиях и в дистиллированной воде при температуре +20°С.

Скорость УЗ волн в различных средах и акустические сопротивления сред
Таблица 1.
...

4.2. Акустическое сопротивление, его влияние на отражение ультразвука

Важнейшей характеристикой биологической среды является акустическое сопротивление, которое определяется как произведение плотности среды å и скорости звука С в ней: 2 = å*С. Акустические сопротивления замечательны тем, что их различие определяет характер отражения на границе сред.
Введем понятие коэффициента отражения по амплитуде Котр, определяемого следующим отношением:
Kотр = Ротр/Рпад
Если первая среда имеет относительное сопротивление Z1 = 0,95, а вторая  Z2= 1,05, то Kотр = 0,05 (или 5%). Это означает, что только малая часть энергии падающей УЗ волны вернется в виде отраженной УЗ волны, а большая часть будет распространяться вглубь тканей.
Если среды меняются местами, т.е. первая имеет Z1 = 1,05, а вторая Z2= 0,95, то, как следует из вышеприведенной формулы, результат не изменится: Kотр = 0,05.
...

4.3. Затухание ультразвука в биологических тканях

Затухание ультразвука, т.е. снижение энергии УЗ волн в процессе их распространения вглубь тканей, существенным образом влияет на акустическое изображение, прежде всего на максимальную глубину, с которой еще можно получать информацию, и на качество изображения.
Основными причинами затухания УЗ волн являются: отражение и рассеяние УЗ волн на неоднородностях, поглощение УЗ волн.
Дополнительное затухание имеет место из-за расходимости УЗ луча, т.е. увеличения площади сечения луча с глубиной. Затухание из-за расходимости луча обычно по величине много меньше, чем вследствие отражения, рассеяния и поглощения УЗ волн.
Поглощение обусловлено вязкостью, теплопроводностью биологических тканей, а также сложными процессами, полное понимание которых пока отсутствует.
...

5 Блок-схема проведения исследования.

Рисунок 21 – «Блок-схема проведения исследования».
Формирователь луча
Ультразвуковые сигналы, принятые датчиком и преобразованные им в электрические сигналы, поступают в электронный блок на вход формирователя луча. Основное его назначение, как следует из названия, обеспечивать необходимую форму ультразвукового луча на передачу и прием.
Формирователь луча – это многоканальное устройство, соединенное с датчиком кабелем с большим числом проводов (их называют жилами
В каналах формирователя луча осуществляется фокусировка на прием путем выставления определенных значений задержек сигналов в каждом из каналов. С помощью управления задержками обеспечивается угловое сканирование в секторных фазированных датчиках.
...

6. Датчики и ультразвуковая волна.

Одним из основных узлов любого ультразвукового диагностического прибора является ультразвуковой преобразователь, который входит в состав датчика, и от которого зависит качество получаемой информации. Эти преобразователи называются трансдьюсерами, они выполняют функцию трансформирования электрической энергии в энергию ультразвука.
Получение ультразвука основывается на обратном пьезоэффекте, суть которого состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам, изготовленным из пьезокерамики) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рисунок 22). С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении.
...

7 Биологическое действие ультразвука
О вопросах биологического действия на организм задумывались многие ученые, разрабатывали различные методы минимизации вредного воздействия на ткани и органы.
Ультразвук может оказывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.e. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты.
На ультразвуковых частотах может появиться кавитация — это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью.
Ученые предложили для устранения вредного воздействия ультразвука на организм использовать в диагностике либо непрерывный ультразвук относительно низкой частоты (1...2 МГц) и невысокой интенсивности (меньше 0,05 Вт/см2), либо импульсный высокочастотный (до 10 МГц), мощный (до 500 Вт/см2) ультразвук с короткой длительностью импульсов (2...
...

8 Аппаратная реализация метода
УЗ диагностические приборы (иначе их называют сканерами) представляют собой систему, состоящую из излучателя/приёмника УЗ сигналов (датчика) и связанного с ним преобразователя отражённых УЗ сигналов эхографической информации в видеосигналы.
В настоящее время существует огромное множество приборов для ультразвуковой диагностики, как уже отмечалось ранее, ультразвук можно использовать для исследования практически всех областей человеческого тела.
Приборы УЗ диагностике по своему функциональному назначению могут содержать как датчики для обследования отдельных органов, так и для организма в целом, это обусловлено тем, что одни приборы находятся в кабинете диагностики стационарно, а другие врач может с собой переносить, это все делает медицинское обследование доступным в любой момент времени и не только в кабинете диагностики.
Рассмотрим несколько видов ультразвуковых установок.

Рисунок 31 – «Стационарный УЗ сканер».
...

Заключение
Ультразвуковая диагностика распространенный и очень эффективный метод исследования различных частей тела и диагностики заболеваний, которые проявляются в виде каких-либо изменений строения исследуемых органов.
Суть ультразвуковой диагностики заключается в том, что при прохождении звуковых волн через человеческое тело, они способны отражаться, затухать, рассеиваться. На основе этого, учеными был придуман способ, который позволил при помощи пьезоэлектрического датчика посылать звуковые сигналы вглубь тела и потом этим же датчиком принимать отраженные органами сигналы, затем, анализируя отраженный сигнал, можно с помощью технических средств построить соответствующее изображение внутреннего строения исследуемой области тела. Затем, сведя к минимуму вредные факторы, которые могли бы нанести вред здоровью человека, был разработан ультразвуковой сканер.
Огромный вклад внесло изобретение УЗ сканера в медицинскую диагностику.
...