Применение ультразвука в хирургии реферат
Обновлено: 08.07.2024
В хирургии всегда существовал ряд вопросов и задач, которые нужно было решить. Это снижение травматичности операций, уменьшение кровопотерь, ускорение заживление, разработка новых, более прогрессивных методов и др. Во многом решить эти задачи помог ультразвуковой метод.
Существует две основные области использования ультразвука в хирургии:
- Инструментальная хирургия. Наложение ультразвука на операционные инструменты (пилы, лезвия и др.)
- Локальные разрушения. Фокусированный ультразвук способен проникать глубоко в ткани, уничтожая различные образования.
Инструментальная хирургия
На рабочую поверхность инструмента (например, скальпель), которая соединена с преобразователем волноводом, накладывается ультразвук. Амплитуда колебаний волн на режущей части инструмента может составлять от 1 до 365 мкм (в зависимости от конкретного назначения инструмента и потребностей операции), частота - от 20 до 100 кГц. Ультразвуковые колебания уменьшают трение между тканями и лезвием, благодаря чему специалист-хирург затрачивает меньше усилий, а операция проходит более быстро и гладко.
Как правило, при рассечении мягких тканей с ними взаимодействует только кромка режущей части - происходит, так называемое, микрорезание. Также от кромки выделяется тепло, создающее гемостатический эффект. Это все способно во многом облегчить процесс оперирования, что и обуславливает распространение ультразвуковых инструментов в хирургии.
Ультразвуковые инструменты отличаются по своему назначению, амплитуде колебаний волн и другим характеристикам. Основными считаются:
- Скальпель (хирургический нож). Он помогает расслаивать мягкие ткани, отделяя патологические образования и структуры от нормальных. Как правило, это инструмент применяется при:
- Пластических операциях
- Удалении различных опухолей
- Иссечении рубцов
- Вскрытии очагов воспаления
Это очень эффективный инструмент, позволяющий осуществлять вышеперечисленные действия с минимальным стрессом для пациента и с применение минимальных усилий со стороны врача.
Ультразвуковая пила не повреждает оставшиеся части тканей, не нагревает, не прижигает и не разминает их. После использования этого инструмента перестройка костных трансплантатов и образование костной мозоли осуществляются в разы быстрее, чем после использования обычных приборов. Использование ультразвуковых пил обеспечивает очень высокую точность моделирования трансплантатов.
Аппарат, с наложенным на него ультразвуком, позволяет хирургам осуществлять все вышеперечисленные процессы во много раз быстрее, что сокращает расходы на операции, минимизирует труд медиков, уменьшает сроки выздоровления пациентов.
Помимо этих трех инструментов существуют целые хирургические комплексы. Они позволяют воздействовать только на твердые ткани, оставляя мягкие нетронутыми и, соответственно, не нанося им никаких повреждений.
Также с помощью аппаратов, с наложенным на них ультразвуком, можно "склеивать" сосуды, удалять тромбы, удалять катаракту глаза и производить другие оперативные действия.
Вызов локальных разрушений
Открытие этого способа применения ультразвука в хирургии позволило проводить некоторые операции без единого нарушения целостности живых тканей. Волны фокусируются в одном месте (например, на опухоли), постепенно уничтожая патологическое образование. Процесс удаления выводится на изображение томографа, что позволяет врачу полностью следить за операцией.
Такие операции полностью исключают повреждение живых тканей, образование костных сколов/обломков, уничтожение кровеносных сосудов и повреждение нервов. Ультразвук позволяет в разы снижать травматичность хирургических процедур. При этом время, затраченное на операцию и восстановление, сокращается.
Сегодня ультразвук применяется не только в диагностике. Открытие возможности применение этого явления в других областях медицины позволило существенно продвинуть вперед хирургию и решить многие ее вопросы.
Аппарат предназначен для лечения акушерско-гинекологических заболеваний, но применяется также в оториноларингологии, стоматологии, дерматологии и в других областях медицины.
Основные технические данные аппарата: частота ультразвуковых колебаний 2,64 МГц ±0,1%; интенсивность ультразвуковых колебаний регулируется четырьмя ступенями 0,05; 0,2; 0,5 и 1,0 Вт/см 2 ; эффективная площадь большого излучателя 2 см 2 , малого — 0,5 см 2 ; предусмотрен импульсный режим работы при длительности импульсов 2, 4 и 10 мс, частоте следования 50 Гц; питание от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 В ±10%; потребляемая мощность не более 50 ВА; по защите от поражения электрическим током аппарат выполнен по классу I; габаритные размеры 342×274×142 мм; масса (с комплектом) не более 10 кг.
Структурная схема аппарата УЗТ представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема аппарата УЗТ
Генератор высокочастотный создает немодулированные электрические колебания с частотой 2,64 МГц. Усиление мощности этих колебаний происходит в выходном усилителе, к которому подключается один из ультразвуковых излучателей, преобразующий электрические колебания в механические. Модулятор предназначен для получения импульсного режима при трех длительностях импульсов — 2, 4 и 10 мс и постоянной частоте следования — 50 Гц. Блок питания обеспечивает питание постоянным напряжением цепей модулятора и генератора.
Принципиальная электрическая схема аппарата приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема аппарата УЗТ-31
Блоквысокочастотногогенератора (рисунок 3) включает в себя автогенератор, буферный каскад и усилитель.
Автогенератор (транзистор VT 1 ) собран по осцилляторной схеме с кварцевой стабилизацией. С выхода автогенератора высокочастотное напряжение подается на буферный каскад, представляющий собой эмиттерный повторитель (транзистор VT 3 ). В эмиттерной цепи повторителя включены контакты кнопочного переключателя S 1 , коммутирующие делитель на резисторе 9 и потенциометрах 10 — 13 . Кнопки переключателя выведены на панель управления аппарата ("Интенсивность, Вт/см 2 "). При нажатии одной из кнопок в эмиттерную цепь включается соответствующий потенциометр, с движка которого напряжение через разделительный конденсатор 11 подается на усилитель. С помощью потенциометров 10 — 13 производится регулировка интенсивности на каждой ступени при производстве аппарата или его ремонте.
Усилитель (транзистор VT 4 ) имеет на выходе четырехполюсник (конденсаторы 13 — 17 и катушка индуктивности 3 ), согласующий выходное сопротивление транзистора VT 4 со входным сопротивлением выходного усилителя.
В блоке генератора находится также оконечный каскад (транзистор VT 2 ) импульсного модулятора. Каскад работает в ключевом режиме по параллельной схеме. При подаче на его вход прямоугольного импульса (через контакты 11 — 12 вилки X 1 ) транзистор VT 2 открывается, шунтируя вход буферного усилителя и создавая тем самым паузу в генерации ультразвуковых колебаний.
Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема высокочастотного генератора аппарата УЗТ-31
Обобщенная структура аппарата для ультразвуковой терапии.
Для проведения УЗ-процедуры очевидными являются наличие высокочастотного генератора ч пьезоэлектрических преобразователей, формирующих соответствующие ультразвуковые волны.
Проведение УЗ-процедуры возможно двумя основными способами:
1. При непосредственном контакте УЗ-излучателя с облучаемымучастком тела.
2. Косвенным контактом через иммерсионную жидкость, осуществляемым с помощью водяной панны или водяной подушки (пузыря из тонкой резины, наполненного водой).
При использовании первого способа необходимо исключить наличие воздушной прослойки между излучателем и поверхностью тела, поскольку даже тончайший слой воздуха приведет, практически, к полному отражению УЗ-волны от поверхности тела. Поэтому, перед сеансом поверхность кожи облучаемого участка тщательно смазывается вазелиновым маслом или специальной смазкой на основе парафинов.
При использовании косвенного контакта может использоваться как непрерывный, так и импульсный режим излучения, при неподвижном и подвижном излучателях.
При использовании водяной ванны можно производить облучение как прямым, так и наклонным лучом, что удобно при облучении суставов и участков тела с неровной поверхностью.
Аппараты УЗ-терапии могут быть стационарными и портативными. универсальными и специализированными. Типовая структура терапевтического ультразвукового аппарата представлена на рисунке 4.
Автогенератор АГ генерирует в непрерывном режиме колебания УЗ-частоты. Через модулятор М (управляемый ключ) У3-колебания передаются на предварительный усилитель ПУ со ступенчатой регулировкой коэффициента усиления и далее. через выходной усилитель, на излучатель ИЗ и индикатор ИНД, показывающий наличие переменного сигнала УЗ-частоты на выходе усилителя. Модулятор управляется генератором импульсов регулируемой длительности ГИ. Все регулировки осуществляются с помощью пульта управления снабженного процедурными часами ПЧиПУ, которые отключают блок питания БП по истечении установленного времени длительности процедуры.
Рисунок 4 – Структурная схема аппарата ультразвуковой терапии
Перед сеансом УЗ-терапии производят проверку исправности аппарата. Простейший способ проверки наличия генерации ультразвука состоит в том. что излучатель окунают в стакан с водой и. при наличии колебаний, наблюдают эффект дегазации (выделения пузырьков воздуха). С повышением интенсивности излучения газовыделение возрастает.
Периодически проводят проверку градуировки шкалы интенсивности генерируемого ультразвука. Для этой цели Используются специальные измерители мощности ультразвука, например, типа ИМУ-2 (3).
Для предохранения рук оператора от воздействия ультразвука, он должен работать в тонких нитяных перчатках, поверх которых надеты резиновые. Сохраняемый пол слоем резины слой воздуха отражает УЗ-колебания. предохраняя руки от воздействия ультразвука.
В таблице 1 приведены некоторые основные характеристики отечественных терапевтических УЗ-аппаратов.
Таблица 1 Характеристики отечественных терапевтических УЗ – аппаратов.
Интересным представляется воздействие ультразвуковыми волнами на биологически активные точки (БАТ) с целью достижения определенных терапевтических эффектов, называемое фонотерапией. Фонотерапия осуществляется с помощью терапевтических УЗ-аппаратов, позволяющих генерировать ультразвук малой интенсивности (0,05Вт/см в кв) и снабженных излучателями с малой площадью активной, поверхности (от 0,2 до 1см в кв), например, "ЛОР-3", "УЗТ-102", "УЗ-Т10" и др.
Применение ультразвука в хирургии.
Метод ультразвуковой резки мягких тканей основан на том, что на лезвие режущего инструмента, которому хирургом сообщается поступательное движение, накладываются продольные ультразвуковые колебания с частотой, лежащей в пределах 22 - 44кГц. с амплитудой не более 45мкм. Под действием УЗ-колебаннй. налагаемых на инструмент, скорость относительных продольных перемещении увеличивается, относительно поступательного перемещения лезвия, в несколько раз. При этом, за счет разрушении под воздействием кавитации клеточной структуры прилегающих к лезвия слоев ткани, сухое трение переходит в полусухое или даже жидкостное. Это приводит к существенному уменьшению как нормального, так и тангенциального усилия резания. Ультразвуковые колебания возбуждаются магнитострикторрм и с помощью концентратора передаются к режущему инструменту. Магнитостриктор изготовляют либо из ферритового броневого цилиндрического магнптопровода, в полость которого закладывается обмотка, либо набирается из Ш - образных пластин из никелевого сплава, на центральный стержень которых наматывается обмотка. При перемагннчивании материала возникает явление магнитострикции, вследствие которого продольные размеры стержней колеблются с частотой перемагничивающего тока. Чтобы избежать удвоения частоты механических колебаний сердечник магнитостриктора подмагничивается постоянным током практически до насыщения.
К магнитостриктору приклеивается конически-цилиндрический концентратор. Длина концентратора выбирается равной половине длины волны ультразвука на рабочей частоте. К концентратору, с помощью резьбы, присоединяют сменный инструмент, также имеющий форму полуволнового концентратора, у которого сечение сужается к инструменту по экспоненте. Благодаря уменьшению сечения конической части концентратора и инструмента, и работе их в резонансном режиме происходит усиление амплитуды УЗ-колебаний в несколько раз, при их прохождении от магнитостриктора до режущей части инструмента.
Конструкция акустического узла приведена на рисунке 5. Магнитостриктор 1 с приклеенным к нему концентратором 2 образует акустическую головку, которая с помощью демпфирующих резиновых колец 6 закрепляется в цилиндрическом кожухе 4.
Рисунок 5 – Конструкция акустического узла для резки мягких тканей.
Наличие сменных инструментов - насадок 4 различной конфигурации приводит к тому, что их резонансные частоты отличаются друг от друга. Чтобы обеспечить резонансные эффекты используют генератор с подстройкой частоты в диапазоне +-2% от номинальной.
Ручная подстройка осуществляется при смене насадок, для чего с ответствующие приборы снабжаются индикаторами резонанса, которые фиксируют максимум тока нагрузки выходного каскада усилителя мощности генератора. При работе с инструментом, при изменении нагрузки, резонансная частота поддерживается автоматически, схемой автоматической подстройки частоты. На рисунке 6 приведена структурная схема хирургического УЗ-аппарата.
Рисунок 6 – Схема УЗ-аппарата с автоматической подстройкой частоты
При операциях ил внутренних органа для удлинения инструмента используют составные многозвеньевые концентраторы, свинчивающиеся между собой.
УЗ-аппараты со структурой рисунка 6 могут использоваться не только для резки мягких тканей, но и для их сварки, а также для резки сварки и наплавки костных тканей.
В качестве примера универсальных хирургических УЗ-аппаратов можно назвать аппараты УСКР-7Н УРСК-2Н. УРСК-18.
На основе использования универсальных аппаратов для ультразвуковой хирургии разработаны методики ультразвуковом обработки поверхности ран, включающих раны послеоперационные, обеспечивающие очистку поверхности ран от некротической и поврежденной ткани, быструю диффузию дезинфинирующих и лекарственных веществ, растворяемых в жидкостях и активизацию защитных регенерационных возможностей организма.
В таблице 2 приведены основные технические характеристики ряда отечественных ультразвуковых хирургических аппаратов.
Таблица 2 Характеристика отечественных УЗ хирургических аппаратов
1. Системы комплексной электромагнитотерапии: Учебное пособие для вузов/ Под ред А.М. Беркутова, В.И.Жулева, Г.А. Кураева, Е.М. Прошина. – М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000г. – 376с.
2. Электронная аппаратура для стимуляции органов и тканей /Под ред Р.И.Утямышева и М.Враны - М.: Энергоатомиздат, 2003.384с..
3. Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура. :[Учебн. пособие] - Мн.: Медицина, 2001. - 344с.
4. Катона З. Электроника в медицине: Пер. с венг. / Под ред. Н.К.Розмахина - Мн.: Медицина 2002. - 140с.
Поиск и разработка методов снижения травматичности, кровопотери и болевые ощущений при хирургических операциях, методом, позволяющих ускорить заживление, послеоперационных ран и рассасывание рубцов, а также методом, облегчающих труд хирурга-оператора, важные задачи современной хирургии, решению которых способствует применение ультразвука.
Можно выделить две основные области использования ультразвука в оперативной хирургии. Это инструментальная ультразвуковая хирургия и локальные разрушения в глубине тканей с помощью фокусированного ультразвука.
Прикрепленные файлы: 1 файл
Применение ультразвука в хирургии.doc
Аппараты: портативные УТП-1, УТП-1М, УЗТ-5, УЗТ-31, УЗТ-101, УЗТ-103, УЗТ-104, ЛОР-1А, ЛОР-2, Стержень-1, Стержень-2, Гамма. Мощность аппаратов периодически (раз в 1-2 мес.) проверяется при помощи прибора ИМУ-3 мед. техником. Все аппараты работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах.
Современный рынок аппаратов УЗТ представлен следуючими приборами:
УЗТ-1.02 С - для стоматологии;
УЗТ-1.03 У - для лечения урологических заболеваний;
УЗТ-1.04 О - для применения в офтальмологии.
Аппараты работают на частоте 0,88 Мгц, различаются наличием специализированных излучателей в комплекте.
Фирма “МедТеКо” предлагает аппараты УЗТ, работающие в двух частотных диапазонах - 0,88 и (или) 2,64 Мгц.
Аппарат УЗТ-1.01Ф - Мед ТеКо - частота 0,88 Мгц, два излучателя - 1 и 4 см2.
Аппарат УЗТ-3.01Ф - Мед ТеКо - частота 2,64 Мгц, два излучателя - 1 и 4 см2.
Аппарат УЗТ-1.3.01Ф - Мед ТеКо (двухчастотный) - работает на частотах 0,88 и 2,64 Мгц.
Методики ультразвуковой терапии.
Озвучивать можно непосредственно патологический очаг, симметричные участки, рефлекторно-сегментарные зоны, площадь 150-250 см2; можно озвучивать в один день 3-4 зоны. Не рекомендуется ультразвук на область сердца, головного мозга, шейных вегетативных узлов, костных выступов, на область матки при беременности.
По Сперанскому различают следующие дозы:
- малые 0,05-0,4 вт/с мг
- средние 0,5-0,4 вт/см 2
- большие 0,9-1,2 вт/см 2.
Используют чаще малые и средние дозировки, продолжительность озвучивания 1 поля 2-5 мин. максимальное озвучивание 15минут, стабильное озвучивание до 5 мин. Число процедур от 5-8 до 10-12.
Результаты лечения более выражены через 30-45 дней. Детям ультразвук назначается с 2-х лет, слабой интенсивности, не более 10 минут, избегая воздействия на ростковые зоны костей. Перед началом работы мед. сестра проверяет наличие ультразвуковых колебаний с поверхности вибратора. Для этого излучатель погружается в стакан с водой. При наличие колебаний ультразвук вызывает дегазацию воды, появляются пузырьки. Или - на головку вибратора наносят несколько капель воды или масла (при наличии колебаний будет "кипение" пузырьков).
Применяется ультрафонофорез следующих лекарственных веществ: гидрокортизон, синалар, оксикорт, анальгин, амидопирин, гистидин, метионин, пенициллин, бициллин, неомицин, интерферон, пчелиный яд, змеиный яд, гепарин, алоэ, преднизолон, лидаза, аскорбиновая кислота, эуффилин и другие.
1) заболевание внутренних органов (легких, ЖКТ, почек);
2) облитерирующие заболевания сосудов;
3) заболевание опорно- двигательного аппарата;
5) в гинекологии, урологии;
6) ЛОР, офтальмологии;
7) кожные заболевания;
1) дисфункции эндокринных органов
2) злокачественные новообразования
4) лихорадочные состояния
5) ИБС, стенокардия, атеросклероз
8) органические поражения ЦНС.
Воздействие ультразвуком на область позвоночника.
Показания: травматические поражения, дегенеративно-дистрофические и воспалительные заболевания позвоночных суставов (артрозы, артриты) и позвоночника (межпозвонковый остеохондроз с корешковым синдромом), в подострой и хронической стадиях заболевания. При проведении процедуры больной лежит на кушетке или сидит на стуле лицом к спинке (рис. 2), Воздействие ультра звуком на паравертебральные зоны осуществляют на 2-3 см влево и вправо от остистых отростков позвоночника. Интенсивность 0,2-0,4 Вт/см2 в импульсном режиме (длительность импульсов 2 мс, 4 мс). Методика лабильная, время процедуры 3-5 мин на каждую сторону.
Рис. 1. Воздействие ультразвуком на плечевой сустав.
Рис. 2. Воздействие ультразвуком на паравертебральные зоны вдоль позвоночника.
Воздействие ультразвуком при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
Перед процедурой больной должен выпить 1-2 стакана жидкости (кипяченой воды, чая) для оттеснения газового пузыря в верхние отделы желудка. Воздействие ультразвуком осуществляется на эпигастральную область и паравертебрально с двух сторон на уровне Thyn-Thxn в положении больного сидя (рис. 3), в непрерывном или импульсном режиме по лабильной методике. Интенсивность ультразвука - 0,4-0,6 Вт/см2, время процедуры - по 3-5 мин на каждую зону. Вначале 4-5 процедур проводят через День, затем ежедневно. Курс лечения 10-12-15 процедур.
Воздействие ультразвуком при вазомоторном рините. Процедуры проводят в положении больного лежа. На область спинки и скатов носа наносят вазелиновое масло.
Рис. 3. Области воздействия ультразвуком при язвенной болезни желудка.
Круговыми и линейными движениями ультразвуковой излучатель перемещают по области воздействия. Режим непрерывный, интенсивность 0,2-0,4 Вт/см2, продолжительность процедуры 3-5 мин, ежедневно или через день. Курс лечения 10-12 процедур. При вазомоторных ринитах можно применять и фонофорез гидрокортизона.
Существует и эндоназальная методика ультразвуковой терапии для лечения вазомоторного ринита, которую можно проводить с помощью аппаратов ЛОР-1, ЛОР-2,ЛОР-3.
Современные успехи клинической диагностики во многом определяются совершенствованием методов исследования. Значительный скачек в этом вопросе был достигнут благодаря разработке и внедрению в практику принципиально новых способов получения медицинского изображения, в том числе ультразвукового метода.
Чрезвычайно ценным является способность эхографии визуализировать внутреннюю структуру паренхиматозных органов, что было недоступно традиционному рентгенологическому исследованию. Благодаря высокой информативности и достоверности ультразвукового метода диагностика многих заболеваний и повреждений поднялась на качественно новый уровень. В последние годы в связи с очень широким распространением ультразвуковой аппаратуры, ее доступностью для любых даже очень небольших медицинских учреждений назревает потребность в специалистах, в совершенстве владеющих методикой и техникой ультразвукового исследования.
Цель: изучить физические основы применения ультразвука в медицинской диагностике(эхография)
1) Рассмотреть физические основы ультразвуковой диагностики.
2) Изучить характеристики и свойства ультразвука.
3) Рассмотреть взаимодействие ультразвука с веществом.
4) Изучить один из методов ультразвуковой диагностики-эхография.
Физические основы ультразвуковой диагностики
Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны в упругих средах в диапазоне частот 2*10 4 – 10 9 Гц [4].
Ультразвуковые колебания, не воспринимаются человеческим ухом. Частоты ультразвука условно подразделяют на три области:
УЗНЧ - ультразвук низких частот – (2*10 4 – 10 5 Гц),
УЗСЧ - ультразвук средних частот – (10 5 – 10 7 Гц),
УЗВЧ – ультразвук высоких частот – (10 7 – 10 10 Гц).
Рис.1 Частотна шкала звуковых(акустических) волн
УЗ волны бывают продольные и поперечные. В жидкостях и газах УЗ волна распространяется в направлении колебательного движения частиц, т.е. является продольной. При распространении продольной волны в среде возникают последовательно области сжатия и разрежения частиц среды
В твердых телах и плотных биотканях помимо продольных деформаций, возникают также и упругие деформации сдвига, обусловливающие появление поперечных волн. В этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.
УЗ волны могут быть сферическими, плоскими и др., что определяется видом волновой поверхности. Поверхность с одинаковой фазой колебаний называется волновой поверхностью (один из видов волновой поверхности - волновой фронт).
Плоские волны имеют плоскую волновую поверхность. Такие волны возникают в случае возбуждения плоским источником звука, например плоской колеблющейся пластиной. Кроме плоских волн могут быть сферические волны, возбуждаемые точечным или сферическим источником. Идеальная сферическая волна возникает в случае точечного источника. Реальные источники всегда имеют пространственную протяжённость, поэтому на практике считают, что если радиус излучателя (r) мал по сравнению с длиной волны λ излучаемого им звука, т.е. r 8 Гц длина волны ультразвука составляет величину
3 мкм. В то же время длины волн электромагнитных колебаний, воспринимаемых человеческим глазом как свет, лежат в пределах 0,4-0,8·мкм. Поэтому УЗ пучок, во многих случаях, можно рассматривать как геометрический луч и применять к нему те же законы, которые применяются в геометрической оптике.
2) Скорость распространения волны
Скорость распространения звуковых и ультразвуковых волн в среде одинакова. Скорость распространения ультразвука в тканях человека и животных колеблется приблизительно от 1490 до 1610 м/с, т.е. почти не отличается от скорости распространения ультразвука в воде. При средней скорости ультразвука в мягких биологических тканях ʋ ≈ 1540м/с длина волны составляет: при ν= 3,5 МГц λ = 0,44 мм, при ν = 5,0 МГц λ = 0,31 мм, при ν = 7,5 МГц λ = 0,21 мм, при ν= 10,0 МГц λ = 0,15 мм. При малой длине волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука и коэффициент поглощения (см. ниже) можно судить о молекулярных свойствах вещества (эти вопросы рассматриваются в молекулярной акустике).
УЗ Скорость распространения ʋ продольных волн определяется двумя параметрами среды - плотностью ρ и модулем Юнга E
где Е- модуль Юнга;
Разрешающая способность – то минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они регистрируются на экране прибора как отдельные структуры. Различают аксиальную (вдоль луча) и латеральную (перпендикулярно к нему) разрешающие способности [3].
Аксиальное разрешение зависит от длины волны: если расстояние между двумя точками объекта больше длины волны, то на экране они воспринимаются как отдельные объекты; если меньше, то их изображения сливаются.
Латеральное разрешение обусловлено шириной ультразвукового луча: если она превышает расстояние между двумя точками объекта, то их изображение на экране воспринимается слитно, а если меньше, то раздельно.
Существует физический предел разрешающей способности, т.е. значение, которое в принципе не может быть превзойдено в системе, использующей волны для получения информации. Этот предел близок по величине к ¼ длины волны. Таким образом, чем выше частота, тем лучше может быть разрешающая способность, т.е. тем мельче могут быть детали, отображаемые диагностической системой, и тем лучше качество изображения. Ультразвук с высокой частотой (5 МГц и выше) сильнее затухает при распространении в биологических тканях, что существенно снижает глубину исследований на высоких частотах. Для исследования структур, располагающихся глубоко, используется низкочастотный ультразвук (2,5 – 3,5 МГц). Между разрешающей и проникающей способностью есть обратно пропорциональная зависимость.
4) Интенсивность волны
Интенсивности УЗ волн, применяемых в медицине, подразделяются на три интервала: малая - 0,05 – 0,6 Вт/см 2 , средняя - 0,6 – 1,2 Вт/см 2 , большая - свыше 1,2 Вт/см 2 , а в биологических исследованиях до 1000 Вт/см 2 .
При распространении УЗ волны в среде возникают области сжатия и разрежения. Появляющееся при этом переменное давление (измеряется в Паскалях, Па = Н/м 2 ) называется звуковым и равно
где р0- давление в среде в отсутствие волны;
Pmax= Аρcω - амплитуда переменного звукового давления.
Существует связь между интенсивностью и звуковым давлением:
где ρ - плотность среды;
ʋ - скорость звука.
Взаимодействие ультразвука с веществом
Если в процессе прохождения УЗ через объект волны пересекаются, то в результате наложения волн друг на друга в различных участках среды наблюдается их усиление или ослабление - интерференция.
Результат интерференции будет зависеть от соотношения фаз колебаний в данном месте среды. Если ультразвуковые волны достигают определенного участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то амплитуда ультразвуковых колебаний в этом месте увеличивается. Если в противофазе, то уменьшается. Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя, а также при отражении их от препятствия.
3. Рассеяние ультразвуковых волн
Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние УЗ, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.
4. Волновое сопротивление
При рассмотрении распространения УЗ волн важнейшим свойством среды является ее волновое сопротивление (акустический импеданс):
где ρ - плотность среды;
ʋ - скорость УЗ в данной среде.
Скорость УЗ волны в мягких тканях практически постоянна, поэтому в эхографии волновое сопротивление является лишь функцией плотности ткани. Даже при незначительном различии плотностей между средами УЗ волна, достигшая границы двух сред, может и отразиться и пройти через границу раздела.
Отражённый от препятствия звук называется эхом. Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.
Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.
Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале
2. Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.
Р
ис.4
3.Выпуклая поверхность звука рассеивает.
Изменение направления распространения звука называется преломлением. Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны [1].
Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.
где i – угол падения,
r – угол отражения,
ʋ1 – скорость распространения звука в первой среде,
ʋ2 – скорость распространения звука во второй среде,
n – показатель преломления.
Преломление звука называют рефракцией.
Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о , то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.
Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.
В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.
Применение ультразвука в медицине.Эхография
Ультразвук в медицинской практике находит исключительно широкое применение. Он используется в диагностике (энцефалография, кардиография, и др.), лечении (дробление камней, фонофорез, акупунктура и др.), приготовлении лекарств, очистка и стерилизации инструмента и препаратов. УЗ используется в кардиологии, хирургии, стоматологии, урологии, акушерстве, гинекологии, педиатрии, офтальмологии абдоминальной патологии и других областях медицинской практики.
В ультразвуковой диагностике используется как отражение волн (эхо) от неподвижных объектов (частота волны не изменяется), так и отражение от подвижных объектов (частота волны изменяется – эффект Доплера). Поэтому ультразвуковые диагностические методы делятся на эхографические и доплерографические.
Эхография - это метод исследования структуры и функции органов и получения изображения среза органов, соответствующего их реальным размерам и состоянию [2].
В эхографии различают эхолокацию и ультразвуковое сканирование.
Эхолокация - это метод регистрации интенсивности отражённого сигнала (эхо) от границы раздела фаз.
Общие принципы формирования эхосигналов от границ исследуемых тканей и органов схожи с известными принципами радиолокации и гидролокации. Исследуемый объект облучается короткими УЗ импульсами, энергия которых сконцентрирована вдоль узкого луча.
Импульс, распространяясь в среде от источника УЗ, дойдя до границы раздела сред с разными волновыми сопротивлениями Z, отражается от границы и попадает на приёмник УЗ (датчик). Энергия отраженного импульса тем больше, чем больше разность волновых сопротивлений этих сред. Зная скорость распространения УЗ импульса (в биологических тканях, в среднем, 1540 м/с) и время, за которое импульс прошел расстояние до границы сред и обратно, можно вычислить расстояние d от источника УЗ до этой границы:
Это соотношение лежит в основе УЗ визуализации объектов при эхолокации. Перемещение датчика позволяет выявить размеры, форму и расположение исследуемого объекта.
Фактически скорость УЗ варьируется для различных тканей в пределах +- 5%. Поэтому, с точностью 5% можно определять расстояния до границ объекта и с точностью 10% протяжённость исследуемого объекта вдоль луча. При эхолокации излучаются только короткие импульсы.
К важным преимуществам эхографии следует отнести ее неионизирующую природу и низкую интенсивность используемой энергии. Безопасность метода определяется также краткостью воздействия. Как уже отмечалось, ультразвуковые преобразователи работают в режиме излучения только 0,1 -0,14 времени цикла. В связи с этим при обычном обследовании фактически время облучения составляет около 1 с. К этому необходимо добавить, что до 50% энергии ультразвуковых волн, затухая, не достигает исследуемого объекта.
Ультразвуковое сканирование
Для получения изображения органов используется ультразвуковое сканирование. Сканирование – перемещение ультразвукового пучка направленного на объект во время исследования. Сканирование обеспечивает регистрацию сигналов последовательно от разных точек объекта; изображение возникает на экране монитора и регистрируется в памяти прибора и может быть воспроизведено на фотобумаге или пленке. Изображение можно подвергать математической обработке, измеряя, в частности, величину разных элементов объекта. Яркость каждой точки на экране находится в прямой зависимости от интенсивности эхо-сигнала. Изображение на экране монитора представлено обычно 16-ю оттенками серого цвета или цветной палитрой, отражающими акустическую структуру тканей.
В ультразвуковой диагностике используется три типа сканирования: параллельное (параллельное распространение УЗ волн), секторное (распространение УЗ волн в виде расходящегося пучка) и сложное (при движении или покачивании датчика).
Параллельное сканирование
Параллельное сканирование осуществляется с использованием многокристаллических датчиков, обеспечивающих параллельное распространение УЗ колебаний. При исследовании органов брюшной полости быстрее осуществляется поиск необходимых анатомических ориентиров. Такой вид сканирования обеспечивает видение широкого обзорного поля в близкой зоне и высокой плотности акустических линий в дальней зоне [5].
Секторное сканирование
Секторное сканирование обеспечивает преимущество малой площади контакта с объектом, когда ограничен доступ в исследуемую зону (глаза, сердца, мозга через родничок). Секторное сканирование обеспечивает широкое обзорное поле в дальней зоне.
Выпукло секторное сканирование
Выпукло секторное сканирование, являющееся разновидностью секторного, отличается тем, что кристаллы датчика скомпонованы на выпуклой поверхности. Это обеспечивает широкое обзорное поле, при сохранении хорошего обзорного поля в ближней зоне.
Сложное сканирование
Сложное сканирование осуществляется при движении датчика в направлении, перпендикулярном линии распространения УЗ луча. Поскольку датчик находится в постоянном движении, а экран имеет длительное послесвечение, отражённые импульсы сливаются, формируя изображение сечения обследуемого органа на заданной глубине.
Заключение
Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны в упругих средах в диапазоне частот 2*10 4 – 10 9 Гц.
Рассмотрев физические основы ультразвуковой диагностики, выявила, что ультразвук обладает следующими характеристиками:
2) Скорость распространения волны
3) Разрешающая способность
4) Интенсивность ультразвука
5) Ультразвуковое давление
Дифракция
Интерференция
Рассеяние ультразвуковых волн
Волновое сопротивление
Отражение
Преломление
Литература
1. Демидова А.К , Зубарев А.Р ,Резников И.И., Фёдорова В.Н., Фаустов Е.В.Физические основы использования ультразвука в медицине: учеб. пособие для вузов.– М. 2015 - 97 с.
2. С. С. Багненко, В. В. Рязанов, Г. Е. Труфанов и др. Ультразвуковая диагностика : Руководство для врачей: учеб. пособие. - СПб.: Фолиант, 2009. - 800 c.
3. Волков В.Н. Основы ультразвуковой диагностики: учеб.-метод. пособие для вузов.- М.:ГрГМУ, 2005 – 39 с.
Читайте также: