Излучатели и приемники ультразвука реферат
Обновлено: 05.07.2024
Источниками ультразвука могут быть естественные явления, насекомые и животные, а также искусственные устройства - генераторы ультразвука.
Приёмниками УЗ могут быть клетки и органы насекомых и животных, а также искусственные регистрирующие устройства – датчики.
Естественные источники и приёмники УЗ
Естественным источником ультразвука может быть: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе некоторых двигателей и станков.
Источниками УЗ являются также насекомые и животные: кузнечики, саранча, сверчки, лягушки, грызуны, летучие мыши, кошки, собаки, дельфины, киты и др. животные и насекомые.
Например, летучие мыши издают УЗ с частотой 70-80 кГц. Издаваемые ими колебания отражаются от окружающих предметов и воспринимаются специальными механорецепторами как своеобразные сигналы о лежащих на пути препятствиях. С помощью своего ультразвукового локатора летучие мыши и дельфины очень точно ориентируются в пространстве.
В таблице 3.1.1 даны верхние границы частот, воспринимаемых некоторыми животными и насекомыми.
Верхняя граница частот (в кГц), воспринимаемых органом слуха:
чайки - 8 кузнечика - 100
лягушки - 30 летучей мыши - 150
собаки - 60 бабочки - 160
кошки - 100 дельфина - 200
Искусственные источники и приёмники УЗ
В технике ультразвук получают с помощью устройств, называемых УЗ-излучателями (генераторами УЗ).
Для регистрации УЗ используются устройства, называемые датчиками.
Поскольку одни и те же устройства обычно являются и источниками и приёмниками ультразвука, то их принято условно называть датчиками независимо от функции использования.
2. Устройства для получения и приёма ультразвука
В основе устройства излучателей и приёмников УЗ, применяемых в медицинской УЗ-аппаратуре, лежит или пьезоэлектрический или магнитострикционный эффект.
В технике также используются искусственные источники УЗ - специальные свистки и сирены.
Для получения и приёма ультразвука относительно низких частот (до 50 кГц), используются магнитострикционные преобразователи.
Работа магнитострикционных излучателей основана на прямом магнитострикционном эффекте.
Если на катушку, в которую помещён стержень из ферромагнитного материала, подавать переменный электрический ток, то вдоль стержня будет происходить сжатие или растяжение. Это явление называется прямым магнитострикционным эффектом (Рис. 3.1).
Рис. 3.2.1 Схема прямого магнитострикционного
Если периоды собственных колебаний стержня и магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальна, имеет место явление резонанса. Колебания стержня продольные, поэтому волна будет исходить из концов стержня.
Обычный магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких пластин толщиной 0,1 - 0,2 мм, которые изолируются между собой лакированием или оксидированием. Материалом пластин служат ферриты.
Для приёма УЗ используется обратный магнитострикционный эффект - если стержень из ферромагнитного материала сжимать или растягивать, то в обмотке возникает переменный ток (Рис. 3.2.2).
Рис. 3.2.2Схема обратного магнитострикционного
Пьезоэлектрические преобразователи
Для создания ультразвука высоких частот 1 - 10 МГц используются пьезоэлектрические излучатели. Пьезоэлектрические излучатели могут генерировать ультразвук с частотой до 50 МГц.
Применяемые в УЗ устройствах датчики содержат пьезоэлектрические кристаллы, способные преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот.
Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых волн.
Обратный пьезоэлектрический эффект применяется для излучения УЗ механических волн.
Схемы прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта показаны на Рис. 3.2.3:
а)
б)
Рис. 3.2.3 Схема пьезоэлектрического эффекта: а) прямой, б) обратный
Пьезоэлектрический источник содержит пьезокристалл, на обеих гранях которого закреплены электроды (Рис. 3.2.4).
С одной стороны кристалла находится прослойка вещества, поглощающего УЗ, который распространяется в направлении, противоположном требуемому. На стороне, обращенной к объекту, помещена УЗ линза. Используются различные кристаллы, генерирующие УЗ разной частоты (1 - 10) МГц, имеющие разный диаметр, фокусное расстояние 6-14 см. Выбор кристалла зависит от задачи исследования.
Рис. 3.2.4 Схема УЗ источника: 1 - пьезокристалл, 2 - электроды, 3 -изолирующий материал, 4 - проводники.
В некоторых случаях применяются сложные источники, состоящие из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. Это позволяет создавать УЗ пучок высокой плотности.
УЗ волны, используемые в медицине для диагностики, имеют частоту 2-10 МГц, соответственно, длину волны в жидкости λ - 0,5 - 1,5 мм, что позволяет создавать узкий УЗ луч способный производить очень точную локацию биологических структур и органов.
Под разрешающей способностью прибора понимают минимальное расстояние между двумя точками объекта, при котором они регистрируются на экране монитора как отдельные. Различают аксиальную (вдоль луча) и латеральную (перпендикулярно к нему) разрешающие способности. Первая определяется длиной УЗ импульса (которая пропорциональна длине волны), вторая – шириной луча. Чем выше частота, тем лучше разрешение. Однако при этом возрастает поглощение энергии УЗ луча и ухудшается его проникающая способность. Таким образом, можно говорить об оптимальной разрешающей способности для конкретной задачи.
Для диагностики чаще всего используют УЗ с частотой 2 - 4 МГц. УЗ луч с такой частотой, позволяет зарегистрировать отстоящие друг от друга объекты на рас
стоянии около 1 мм. Считают в этом случае разрешающую способность равной 1 мм.
При использовании высокой частоты УЗ луча с большой разрешающей способностью значительная часть посылаемой энергии тратиться на отражение от многих малых структур, а оставшаяся часть проникает дальше, в
глубь тканей. Таким образом, чем больше частота УЗ луча и, следовательно, чем больше разрешающая способность, тем меньше проникающая.
Например, для кардиологических исследований у взрослых людей используется частота 2,25 - 3,5 МГц, у детей более высокие частоты.
Поэтому для получения качественного сфокусированного изображения объекта с помощью отраженного сигнала, необходимо соответствие нужной глубины проникновения УЗ и размеров исследуемого объекта с частотой УЗ излучения.
Генерированный УЗ датчиком сигнал распространяется на некоторое расстояние, называемое ближней зоной (полем), который затем расходится в так называемой дальней зоне. Лучше могут быть обследованы объекты, находящиеся в ближней зоне: здесь выше интенсивность излучения (Рис. 3.2.5).
Рис. 3.2.5 Зоны не сфокусированного луча
В случае сфокусированного луча, в зоне фокуса УЗ лучи распространяются перпендикулярно границе раздела фаз, и эхо сигнал имеет большую энергию (Рис. 3.2.6).
Рис. 3.2.6 Зоны луча сфокусированного акустической линзой.
Протяженность ближней зоны зависит от радиуса датчика и длины УЗ волны:
L ~ r/λ = rν/С = rν/1540,
где L - протяженность ближней зоны, r - радиус датчика, λ - длина УЗ волны, ν – частота УЗ, С = 1540 м/с – средняя скорость УЗ в мягких тканях.
Отсюда видно, что размер ближайшей зоны можно увеличить, увеличив частоту или радиус датчика. Выбор конкретного датчика зависит от многих факторов (см. табл. 3.2.2).
Сравнительная характеристика УЗ датчиков.
Можно: использовать при ограниченной зоне; сильно отклонять; он дает тонкий пучок в ближайшей зоне.
Короткая ближняя зона, большая дивергенция (расхождение) в дальней зоне.
Длинная ближняя зона, малая дивергенция в дальней зоне
Низкая латеральная разрешающая способность из-за широкого пучка
Высокая разрешающая способность, длинная ближняя зона.
Низкая проникающая способность
Высокая проникающая способность
Низкая разрешающая способность, малая ближняя зона.
Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.
Можно удлинить ближнюю зону и уменьшить расхождение УЗ пучка в дальней зоне с использованием специальных линз.
Собирающие линзы фокусируют параллельные УЗ лучи и используются для сжатия пучка. Они формируют узкий пучок высокой интенсивности на коротком участке, за пределами которого лучи расходятся, но не в такой степени, как это было бы без их использования.
В современных датчиках фокусировка УЗ лучей осуществляется электронными средствами.
Виды ультразвукового сканирования
Используются три вида ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное.
Для различного вида сканирования используются разные излучатели: линейные, конвексные (выпуклые), секторные и др. Конвексные датчики сочетают в себе преимущества секторного и линейного сканирования
Схемы для различных видов ультразвукового сканирования представлены на Рис.3.2.7.
Рис. 3.2.7.Схемы ультразвукового сканирования
а) - линейное (параллельное), б) – секторное,
Форматы изображения, получаемые при помощи некоторых датчиков, представлены на Рис. 3.2.8:
Рис.3.2.8 Форматы изображения
Темным фоном выделены зоны с наилучшим разрешением.
Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.
Линейные датчики
Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого датчика на поверхности тела, высокое разрешение в поле, расположенном близко к датчику. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности датчика к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям. Размер линейных датчиков от 3 до 10 см.
Конвексные датчики
Конвексные датчики имеют выпуклую одномерную решетку, лучи расходятся веером. Конвексный датчик имеет меньшую длину, поэтому легче добиться равномерности его прилегания к коже пациента. У них уменьшен размер, но область сканирования увеличена, в ближней зоне разрешение остается высоким. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие.
Этот тип датчиков используется при исследовании внутренних органов брюшной полости и малого таза, а также для исследования щитовидной железы, почек и печени, причём для почек и печени в равной степени пригодны как конвексные, так и линейные датчики. Такие датчики используются, также в стоматологии.
Секторные датчики
Секторные датчики подразумевают расхождение лучей из одной точки. Они имеют еще большее несоответствие между размерами датчика и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки, либо когда интересующий объект прикрыт каким либо препятствием, например костями черепа. Они имеют малую поверхность соприкосновения, используются при исследовании сердца и мозга через родничок.
Кольцевые датчики
Кольцевые датчики, в которых используется кольцевое фазовое построение кристаллов. Они состоят из множества круглых концентрически расположенных кольцевидных кристаллов, что позволяет фокусировать ультразвуковой луч, как в плоскости изображения, так и перпендикулярно ему.
Существуют датчики, специально сконструированные для того, чтобы быть ближе расположенными к исследуемому объекту: трансвагинальный, трансректальный, пищеводный и имеют разные формы.
В диагностических целях обычно используют датчики с частотами: от 3.0 до 10 МГц. В последние годы появились приборы, оснащенные высокочастотными датчиками 10-20 МГц.
Датчики с рабочей частотой 3.0- 5.0 МГц (конвексные и секторные) используются в кардиологии, в абдоминальной диагностике и исследованиях органов малого таза, в педиатрии. С частотой 3.0-10 МГц (линейные датчики) – при исследовании поверхностно расположенных кровеносных сосудов и органов – щитовидной железы, молочных желез, лимфатической системы.
Типичные характеристики разрешения линейных датчиков для различных частот указаны в табл.3.2.3:
Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Колебания пластинки передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.
Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют линейные размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень в переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, по которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.
Некоторые материалы (например, керамики) способны изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, получившее названиеэлектрострикции, внешне отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.
Преобразователи, в которых используют описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными.
Излучатели ультразвука. Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис.1)
1- пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;
2- электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;
3- генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.
При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.
К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты.
I = ρ ω 2 ʋ А 2 / 2 (1)
Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования.
Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10 -14 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 .
Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой.
Приемники ультразвука. Электромеханические УЗ-приемники (рис.2) используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта.
В этом случае под действием УЗ волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).
В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.
Рассмотрим свойства ультразвука, обуславливающие его широкое диагностическое и лечебное применение.
По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330м/с, в жидкости – 1500 м/с. Однако существуют особенности.
а) Малая длина волны. Направленность. Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ=υ/ν , найдем: для звука с частотой 1 кГц длина волны λзв=1500/1000=1,5 м; для ультразвука с частотой 1 МГц длина волны λуз=1500/1 000 000=1.5 мм.
Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны с λ=1,5 м, но станет преградой для УЗ волны с λ=1,5 мм. При этом возникает УЗ тень, поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и преломления. То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.
б) Преломление и отражение. Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Законы, которым подчиняются эти явления полностью аналогичны законам отражения и преломления света. Поэтому во многих случаях распространение УЗ волн изображают с помощью лучей.
Отражение ультразвуковой волны от границы раздела двух сред с различными свойствами, рис.3
Для количественной характеристики процесса вводят понятие коэффициента отражения R=Iотр /I о , где Iотр - интенсивность отраженной ультразвуковой волны; I о - интенсивность падающей. Это безразмерная величина, меняющаяся в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).
В случае, представленном на рис.3 (нормальное падение волны на границу раздела), этот коэффициент может быть найден по формуле:
где ρ1 и ρ2 - плотности первой и второй среды соответственно; υ1 и υ2 -скорости ультразвука в этих средах.
Видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления (ρυ) сред, тем больше доля отраженной энергии и меньше доля энергии, переходящей через границу раздела.
Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха (R=1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.
Смазка должна удовлетворять соответствующим требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению кожи, обладать малым коэффициентом поглощения УЗ, иметь значительную вязкость, хорошо смачивать кожу, быть нетоксичной (вазелиновое масло, глицерин и др.).
в) Поглощение, глубина полупоглощения. Следующим важным свойством ультразвука является его поглощение в средах: энергия механических колебаний частиц среды превращается в энергию их теплового движения. Поглощаемая при этом средой энергия механической волны обуславливает нагревание среды. Этот эффект описывается формулой:
где Io - интенсивность ультразвуковой волны, прошедшей расстояние l в среде; Io- начальная интенсивность; к – коэффициент поглощения ультразвука в среде; е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71).
Графически этот закон иллюстрируется рисунком 4.
Рис.4. Поглощение ультразвука в двух средах: коэффициент поглощения во второй среде больше, чем в первой.
Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения .
Глубина полупоглощения – это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.
Глубина полупоглощения для различных тканей имеет различное значение. Поэтому в медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей: малая – 1,5 Вт/м 2 , средняя – (1,5-3) Вт/м 2 и большая –(3-10)Вт/м 2 .
Значения коэффициента поглощения и глубины полупоглощения в различных тканях представлены в таблице 1.
| Ткань | , см -1 | Н, см |
| Мышечная | 0,16 | 2.10 |
| Кожа | 0,14-0,66 | 0,53-2.5 |
| Хрящ | 0.58 | 0,60 |
| Легкое | 3,5-5,0 | 0,07-0,10 |
| Жировая | 0,044-0,99 | 3.9-7.9 |
| Костная | 1,5-2.2 | 0,15-0,23 |
| Кровь | 0.023 | 15,10 |
Видно, что поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани.
Важнейшими физическими характеристиками ультразвука, наиболее часто учитываемыми при его использовании, считаются следующие:
- частота, указывающая на число полных колебаний частиц среды в единицу времени и выражающаяся обычно в килогерцах (кГц); аппараты ультразвуковой терапии сегодня работают в основном на фиксированных частотах (880 кГц, 2640 кГц и др.);
- сила ( или интенсивность) ультразвука, под которой понимают энергию, проходящую за 1 с через площадь в 1 см 2 ; чаще в медицине ее выражают в Вт/см 2 ( 1 Вт/см 2 = 1эрг/ (с ∙ см 2 ); с лечебной целью применяют ультразвук интенсивностью от 0.05 до 1,0-1,2 Вт/см 2 ;
- амплитуда смещения (амплитуда ультразвуковой волны), которая указывает на максимальное отклонение частиц среды от положения равновесия: чем она больше, тем более значительные изменения возникают в тканях;
- скважность, которая является отношением периода следования импульсов ( в отечественных аппаратах он равен 20 мс) к длительности импульса ( в отечественных аппаратах она равна 2,4 и 10 мс, а следовательно, скважность равна соответственно 10,5 и 2); чем выше скважность, тем меньше нагрузка на организм больного.
Ультразвуковую диагностику осуществляют с помощью ультразвуковой установки. Она представляет собой сложное и вместе с тем достаточно портативное устройство, выполняется в виде стационарного или передвижного аппарата. Для генерирования УЗ используют устройства, называемые УЗ-излучателями. Источник и приемник (датчик) ультразвуковых волн в такой установке — пьезокерамическая пластинка (кристалл), размещенная в антенне (звуковом зонде). Эта пластинка — ультразвуковой преобразователь. Переменный электрический ток меняет размеры пластинки, возбуждая тем самым ультразвуковые колебания. Применяемые для диагностики колебания обладают малой длиной волны, что позволяет формировать из них узкий пучок, направляемый в исследуемую часть тела. Отраженные волны воспринимаются той же пластинкой и преобразуются в электрические сигналы. Последние поступают на высокочастотный усилитель и далее обрабатываются и выдаются пользователю в виде одномерного (в форме кривой) или двухмерного (в форме картинки) изображения. Первое называют эхограммой, а второе — ультрасонограммой (сонограммой) или ультразвуковой сканограммой.
Частоту ультразвуковых волн подбирают в зависимости от цели исследования. Для глубоких структур применяют более низкие частоты и наоборот. Например, для изучения сердца используют волны с частотой 2,25—5 МГц, в гинекологии — 3,5—5 МГц, для эхографии глаза — 10—15 МГц. На современных установках эхо- и сонограммы подвергают компьютерному анализу по стандартным программам. Распечатка информации производится в буквенной и цифровой форме, возможна запись на видеоленте, в том числе в цвете.
Все ультразвуковые установки, кроме основанных на эффекте Допплера, работают в режиме импульсной эхолокации: излучается короткий импульс и воспринимается отраженный сигнал. В зависимости от задач исследования употребляют различные виды датчиков. Часть из них предназначена для сканирования с поверхности тела. Другие датчики соединены с эндоскопическим зондом, их используют при внутриполостном исследовании, в том числе в комбинации с эндоскопией (эндосонография). Эти датчики, а также зонды, созданные для ультразвуковой локации на операционном столе, допускают стерилизацию.
По принципу действия все ультразвуковые приборы делят на две группы: эхоимпульсные и допплеровские. Приборы первой группы служат для определения анатомических структур, их визуализации и измерения. Приборы второй группы позволяют получать кинематическую характеристику быстро протекающих процессов — кровотока в сосудах, сокращений сердца. Однако такое деление условно. Существуют установки, которые дают возможность одновременно изучать как анатомические, так и функциональные параметры.
3. Объект ультразвукового исследования
Благодаря своей безвредности и простоте ультразвуковой метод может широко применяться при обследовании населения во время диспансеризации. Он незаменим при исследовании детей и беременных. В клинике он используется для выявления патологических изменений у больных людей. Для исследования головного мозга, глаза, щитовидной и слюнных желез, молочной железы, сердца, почек, беременных со сроком более 20 нед. специальной подготовки не требуется.
Больного исследуют при разном положении тела и разном положении ручного зонда (датчика). При этом врач обычно не ограничивается стандартными позициями. Меняя положение датчика, он стремится получить возможно полную информацию о состоянии органов. Кожу над исследуемой частью тела смазывают хорошо пропускающим ультразвук средством для лучшего контакта (вазелином или специальным гелем).
Ослабление ультразвука определяется ультразвуковым сопротивлением. Величина его зависит от плотности среды и скорости распространения в ней ультразвуковой волны. Достигнув границы двух сред с разным импедансом, пучок этих волн претерпевает изменение: часть его продолжает распространяться в новой среде, а часть отражается. Коэффициент отражения зависит от разности импеданса соприкасающихся сред. Чем выше различие в импедансе, тем больше отражается волн. Кроме того, степень отражения связана с углом падения волн на граничащую плоскость. Наибольшее отражение возникает при прямом угле падения. Из-за почти полного отражения ультразвуковых волн на границе некоторых сред, при ультразвуковом исследовании приходится сталкиваться со "слепыми" зонами: это — наполненные воздухом легкие, кишечник (при наличии в нем газа), участки тканей, расположенные за костями. На границе мышечной ткани и кости отражается до 40% волн, а на границе мягких тканей и газа — практически 100%, поскольку газ не проводит ультразвуковых волн.
4. Методы ультразвукового исследования
Наибольшее распространение в клинической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики: одномерное исследование (эхография), двухмерное исследование (сканирование, сонография) и допплерография. Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.
1) Эхография одномерная
В свое время термином "эхография" обозначали любое ультразвуковое исследование, но в последние годы им называют главным образом способ одномерного исследования. Различают два его варианта: А-метод и М-метод. При А-методе датчик находится в фиксированном положении для регистрации эхосигнала в направлении излучения. Эхосигналы представляются в одномерном виде, как амплитудные отметки на оси времени. Отсюда, кстати, и название метода. Оно происходит от английского слова amplitude. Иначе говоря, отраженный сигнал образует на экране индикатора фигуру в виде пика на прямой линии. Начальный пик на кривой соответствует моменту генерации ультразвукового импульса. Повторные пики соответствуют эхосигналам от внутренних анатомических структур. Амплитуда отображенного на экране сигнала характеризует величину отражения (зависящую от импеданса), а время задержки относительно начала развертки — глубину залегания неоднородности, т. е. расстояние от поверхности тела до отразивших сигнал тканей. Следовательно, одномерный метод дает информацию о расстояниях между слоями тканей на пути ультразвукового импульса.
А-метод завоевал прочные позиции в диагностике болезней головного мозга, органа зрения, сердца. В клинике нейрохирургии его используют под названием эхоэнцефалографии для определения размеров желудочков мозга и положения срединных диэнцефальных структур. Смещение или исчезновение пика, соответствующего срединным структурам, свидетельствует о наличии патологического очага внутри черепа (опухоль, гематома, абсцесс и др.). Тот же метод под названием "эхоофтальмография" применяют в клинике глазных болезней для изучения структуры глазного яблока, помутнения стекловидного тела, отслойки сетчатки или сосудистой оболочки, для локализации в орбите инородного тела или опухоли. В кардиологической клинике с помощью эхокардиографии оценивают структуру сердца. Но здесь используют разновидность А-метода — М-метод (от англ. motion — движение).
При М-методе датчик тоже находится в фиксированном положении. Амплитуда эхосигнала при регистрации движущегося объекта (сердца, сосуда) меняется. Если смещать эхограмму при каждом последующем зондирующем импульсе на малую величину, то получается изображение в виде кривой, называемое М-эхограммой. Частота посылки ультразвуковых импульсов большая — около 1000 в 1 с, а продолжительность импульса — очень короткая, всего 1 мкс. Таким образом, датчик лишь 0,1% времени работает как излучатель, а 99,9% — как воспринимающее устройство. Принцип М-метода состоит в том, что возникающие в датчике импульсы электрического тока передаются в электронный блок для усиления и обработки, а затем выдаются на электронно-лучевую трубку видеомонитора (эхокардиоскопия) или на регистрирующую систему — самописец (эхокардиография).
2) Ультразвуковое сканирование (сонография)
Ультразвуковое сканирование позволяет получать двухмерное изображение органов. Этот метод известен также под названием В-метод (от англ. bright -яркость). Сущность метода заключается в перемещении ультразвукового пучка по поверхности тела во время исследования. Этим обеспечивается регистрация сигналов одновременно или последовательно от многих точек объекта. Получаемая серия сигналов служит для формирования изображения. Оно возникает на экране индикатора и может быть зафиксировано на поляроидной бумаге или пленке. Это изображение можно изучать глазом, а можно подвергнуть математической обработке, определяя размеры: площадь, периметр, поверхность и объем исследуемого органа.
При ультразвуковом сканировании яркость каждой светящейся точки на экране индикатора находится в прямой зависимости от интенсивности эхосигнала. Сильный эхосигнал обусловливает на экране яркое светлое пятно, а слабые сигналы — различные серые оттенки, вплоть до черного цвета (система "серой шкалы"). На аппаратах с таким индикатором камни выглядят ярко-белыми, а образования, содержащие жидкость,— черными.
Большинство ультразвуковых установок позволяет производить сканирование пучком волн относительно большого диаметра и с большой частотой кадров в секунду, когда время перемещения ультразвукового луча намного меньше периода движения внутренних органов. Это обеспечивает прямое наблюдение по экрану индикатора за движениями органов (сокращениями и расслаблениями сердца, дыхательными перемещениями органов и т. д.). Про такие исследования говорят, что их проводят в режиме реального времени (исследование "в реальном масштабе времени").
Важнейшим элементом ультразвукового сканера, обеспечивающим режим работы в реальном времени, является блок промежуточной цифровой памяти. В нем ультразвуковое изображение преобразуется в цифровое и накапливается по мере поступления сигналов от датчика. Одновременно осуществляется считывание изображения из памяти специальным устройством и представление его с необходимой скоростью на телеэкране. У промежуточной памяти есть еще одно назначение. Благодаря ей изображение имеет полутоновый характер, такой же как рентгенограмма. Но диапазон градаций серого цвета на рентгенограмме не превышает 15—20, а в ультразвуковой установке достигает 64 уровней. Промежуточная цифровая память позволяет остановить изображение движущегося органа, т. е. сделать "стоп-кадр" и внимательно изучить его на экране телемонитора. При необходимости это изображение можно отснять на фотопленку или поляроидную бумагу. Можно записать движения органа на магнитных носителях— диске или ленте.
Допплерография - одна из самых изящных инструментальных методик. Она основана на принципе Допплера. Он гласит: частота эхосигнала, отраженного от движущегося объекта, отличается от частоты излученного сигнала. Источником ультразвуковых волн, как в любой ультразвуковой установке, служит ультразвуковой преобразователь. Он неподвижен и формирует узкий пучок волн, направляемый на исследуемый орган. Если этот орган в процессе наблюдения перемещается, то частота ультразвуковых волн, возвращающихся в преобразователь, отличается от частоты первичных волн. Если объект движется навстречу неподвижному датчику, то он встречает больше ультразвуковых волн за тот же период времени. Если объект удаляется от датчика, то волн меньше.
Допплерография - метод ультразвукового диагностического исследования, основанный на эффекте Допплера. Эффект Допплера - это изменение частоты ультразвуковых волн, воспринимаемых датчиком, происходящее вследствие перемещения исследуемого объекта относительно датчика.
Существует два вида допплерографических исследований -непрерывный и импульсный. При первом генерация ультразвуковых волн осуществляется непрерывно одним пьезокристаллическим элементом, а регистрация отраженных волн выполняется другим. В электронном блоке прибора производится сравнение двух частот ультразвуковых колебаний: направленных на больного и отраженных от него. По сдвигу частот этих колебаний судят о скорости движения анатомических структур. Анализ сдвига частот может производиться акустическим способом или с помощью самописцев.
Непрерывная допплерография — простой и доступный метод исследования. Он наиболее эффективен при высоких скоростях кровотока, которые возникают, например, в местах сужения сосудов. Однако у этого метода имеется существенный недостаток. Изменение частоты отраженного сигнала происходит не только из-за движения крови в исследуемом сосуде, но и из-за любых других движущихся структур, которые встречаются на пути падающей ультразвуковой волны. Таким образом, при непрерывной допплерографии определяется суммарная скорость движения этих объектов.
От указанного недостатка свободна импульсная допплерография. Она позволяет измерять скорость в заданном врачом участке контрольного объема. Размеры этого объема невелики - всего несколько миллиметров в диаметре, а его положение может произвольно устанавливаться врачом в соответствии с конкретной задачей исследования. В некоторых аппаратах скорость кровотока можно определять одновременно в нескольких контрольных объемах - до 10. Такая информация отражает полную картину кровотока в исследуемой зоне тела пациента. Укажем, кстати, что изучение скорости кровотока иногда называют ультразвуковой флюориметрией.
Результаты импульсного допплерографического исследования могут быть представлены врачу тремя способами: в виде количественных показателей скорости кровотока, в виде кривых и аудиально, т. е. тональными сигналами на звуковом выходе. Звуковой выход позволяет на слух дифференцировать однородное, правильное, ламинарное течение крови и вихревой турбулентный кровоток в патологически измененном сосуде. При записи на бумаге ламинарный кровоток характеризуется тонкой кривой, тогда как вихревое течение крови отображается широкой и неоднородной кривой.
Наибольшими возможностями отличаются установки для двухмерной допплерографии в реальном времени. Они обеспечивают выполнение особой методики, которая получила название ангиодинографии. В этих установках путем сложных электронных преобразований добиваются визуализации кровотока в сосудах и в камерах сердца. При этом кровь, движущаяся к датчику, окрашена в красный цвет, а от датчика — в синий. Интенсивность цвета возрастает с увеличением скорости кровотока. Маркированные (кодированные) цветом двухмерные сканограммы получили название ангиодинограмм.
Допплерографию используют в клинике для изучения формы, контуров и просветов кровеносных сосудов. Фиброзная стенка сосуда является хорошим отражателем ультразвуковых волн и поэтому четко видна на сонограммах. Это позволяет обнаружить сужения и тромбоз сосудов, отдельные атеросклеротические бляшки в них, нарушения кровотока, определить состояние коллатерального кровообращения.
Особое значение в последние годы приобретает сочетание сонографии и допплерографии (так называемая дуплексная сонография). При ней получают как изображение сосудов (анатомическая информация), так и запись кривой кровотока в них (физиологическая информация). Возникает возможность прямого неинвазивного исследования для диагностики окклюзионных поражений различных сосудов с одновременной оценкой кровотока в них. Таким образом следят за кровенаполнением плаценты, сокращениями сердца у плода, за направлением кровотока в камерах сердца, определяют обратный ток крови в системе воротной вены, вычисляют степень стеноза сосуда и т. д.
З 38 Физические основы ультразвуковой дефектометрии: учебное пособие. В 2 ч. Ч.2 / А.Ф. Зацепин. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006. – 117 с.
Библиогр.: 8 назв. Табл. 4. Рис. 58.
УДК 534.2:658.562.6 (042.4)
ISBN 5-321-00-943-0 Ó ГОУ ВПО «Уральский государственный
Ó А.Ф. Зацепин, 2006
«…Господь, небеса, все божественные
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
АК – акустический контроль
АРД – амплитуда – расстояние – диаметр
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
НК – неразрушающий контроль
ОК – объект контроля
ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь
СО – стандартный образец
СОП – стандартный образец предприятия
УЗК – ультразвуковые колебания
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА.. 7
1.1. Пьезоэлектрический эффект. 7
1.2. Пьезоэлектрические материалы и их свойства. 13
1.3. Классификация пьезопреобразователей. 15
1.4. Конструкция преобразователей. 17
1.5. Обозначение пьезопреобразователей. 25
1.6. Передаточная функция преобразователя. 26
1.7. Эквивалентные схемы пьезоизлучателей и приемников. 28
1.8. Рациональный выбор параметров преобразователя. 31
1.9. Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн. 38
1.10. Контрольные вопросы.. 48
2. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. 49
2.1. Поле преобразователя произвольной формы.. 50
2.2. Поле дискового преобразователя. 52
2.3. Диаграмма направленности. 55
2.4. Поле кольцеобразного преобразователя. 57
2.5. Поле прямоугольного преобразователя. 58
2.6. Поле преобразователя с акустической задержкой. 62
2.7. Контрольные вопросы.. 68
3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ 69
3.1. Модели дефектов. 70
3.2. Расчет акустического тракта для случая прямого преобразователя. 71
3.3. Расчет акустического тракта с наклонным преобразователем. 74
3.4. Стандартные образцы (СО) 78
3.5. Эквивалентный размер дефекта. 82
3.6 АРД-диаграмма. 83
3.7. Контрольные вопросы.. 84
4. АППАРАТУРА И ТЕХНОЛОГИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.. 86
4.1. Ультразвуковой дефектоскоп. 86
4.2. Шумы и помехи при ультразвуковом контроле. 97
4.3. Причины возникновения и способы подавления ложных сигналов. 99
4.4. Процедура контроля. 104
4.5. Основные термины и определения акустического контроля. 106
4.6. Контрольные вопросы.. 113
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 116
ВВЕДЕНИЕ
Отличительная особенность настоящего пособия состоит в том, что оно содержит информацию об устройстве и характеристиках электроакустических преобразователей, методиках расчета параметров акустических полей и акустического тракта, включает сведения о дефектоскопической аппаратуре и технологии акустического контроля. Значительное уделено группе активных методов отраженного УЗ-излучения, получивших в настоящее время наиболее широкое распространение в практике неразрушающего контроля.
В пособии приведены примеры анализа характеристик акустического поля в произвольной точке пространства с учетом отражательной способности дефектов, наличия границ раздела сред и фазовых неоднородностей. Показано, что расчет поля излучения-приема пьезоэлектрических преобразователей сводится к определению амплитуды полезного сигнала, несущего информацию об измеряемом параметре. Для этого требуется вычисление передаточной функции двойного преобразования электрических сигналов в акустические и обратно акустических сигналов в электрические.
Вопросы собственно УЗ-дефектометрии изложены в последовательности, включающей вывод аналитических выражений для полезных сигналов, учет помех и ложных сигналов, выбор метрологического обеспечения и оптимизацию параметров метода контроля. Описаны принципы и даны примеры организации схем акустического контроля. Указанные вопросы рассматриваются прежде всего с точки зрения задач, решаемых при проектировании специализированной аппаратуры и развитии технологии УЗ-дефектоскопии.
ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА
В настоящее время ультразвуковую (УЗ) контрольно-измерительную аппаратуру применяют в самых различных областях науки и техники: в дефектоскопии, при медицинской диагностике, исследовании физических свойств материалов, контроле геометрических размеров объектов и т. д. Обработка полезных сигналов значительно облегчается, если импульсы акустических волн имеют заданную пространственно-временную характеристику. Поэтому важнейшие функциональные и метрологические возможности ультразвуковой аппаратуры неразрушающего контроля определяются, как правило, параметрами электромеханических преобразователей – излучателей и приемников УЗ-колебаний. Ультразвуковые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний в механические и обратно. В качестве первичных датчиков используют преобразователи различных типов. По принципу действия преобразователи делятся на группы:
– магнитострикционные и др.
Наибольшее распространение в современных приборах УЗ-дефектоскопии получили пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП).
Читайте также: