Применение ультразвука в медицине – Физические основы применения ультразвуковых волн в медицине Ультразвуковая диагностика. Хирургическое и терапевтическое применение ультразвука.

Содержание

10. Ультразвук и его использование в медицине

Ультразвук —
упругие звуковые колебания
высокой частоты.
Человеческое ухо воспринимает
распространяющиеся в среде упругие
волны частотой
приблизительно до 16-20 кГц;
колебания с более высокой частотой
представляют собой ультразвук (за
пределом слышимости). Обычно ультразвуковым
диапазоном считают полосу частот от 20
000 до миллиарда Гц.
Звуковые колебания с более высокой
частотой называют гиперзвуком.
В жидкостях и твердых телах звуковые
колебания могут достигать 1000 ГГц[

Хотя
о существовании ультразвука ученым
было известно давно, практическое
использование его в науке, технике и
промышленности началось сравнительно
недавно. Сейчас ультразвук широко
применяется в различных областях физики,
технологии, химии и медицины.

Применение ультразвука [Диагностическое применение ультразвука в медицине (узи)

Благодаря
хорошему распространению ультразвука
в мягких тканях человека, его относительной
безвредности по сравнению с рентгеновскими
лучами и
простотой использования в сравнении
с магнитно-резонансной
томографией ультразвук
широко применяется для визуализации
состояния внутренних органов человека,
особенно вбрюшной
полости и полости
таза.

Терапевтическое применение ультразвука в медицине

Помимо
широкого использования в диагностических
целях (см. Ультразвуковое
исследование), ультразвук применяется
в медицине как лечебное средство.

Ультразвук
обладает действием:

  • противовоспалительным,
    рассасывающим

  • аналгезирующим,
    спазмолитическим

  • кавитационным
    усилением проницаемости кожи

Фонофорез—
сочетанный метод, при котором на ткани
действуют ультразвуком и вводимыми с
его помощью лечебными веществами (как
медикаментами, так и природного
происхождения). Проведение веществ под
действием ультразвука обусловлено
повышением проницаемости эпидермиса
и кожных желез, клеточных мембран и
стенок сосудов для веществ небольшой
молекулярной массы, особенно — ионов
минералов бишофита. [1] Удобство
ультрафонофореза медикаментов и
природных веществ:

  • лечебное
    вещество при введении ультразвуком не
    разрушается

  • синергизм
    действия ультразвука и лечебного
    вещества

Показания
к ультрафонофорезу
бишофита: остеоартроз, остеохондроз, артриты, бурситы, эпикондилиты, пяточная
шпора, состояния после травм
опорно-двигательного аппарата; Невриты,
нейропатии, радикулиты, невралгии,
травмы нервов.

Наносится
бишофит-гель и рабочей поверхностью
излучателя проводится микро-массаж
зоны воздействия. Методика лабильная,
обычная для ультрафонофореза (при УФФ
суставов, позвоночника интенсивность
в области шейного отдела — 0,2-0,4
Вт/см2., в области грудного и поясничного
отдела — 0,4-0,6 Вт/см2).

11. Инфразвук и его влияние на организм

Инфразву́к (от лат.infra —
ниже, под) — упругие
волны, аналогичные звуковым,
но имеющие частоту ниже воспринимаемой
человеческим ухом. За верхнюю границу
частотного диапазона инфразвука обычно
принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница
инфразвукового диапазона условно
определена как 0.001 Гц.
Практический интерес могут представлять
колебания от десятых и даже сотых долей
герц, то есть с периодами в десяток
секунд.Природа возникновения инфразвуковых
колебаний такая же, как и у слышимого
звука, поэтому инфразвук подчиняется
тем же закономерностям, и для его описания
используется такой же математический
аппарат, как и для обычного слышимого
звука (кроме понятий, связанных с уровнем
звука). Инфразвук слабо поглощается
средой, поэтому может распространяться
на значительные расстояния от источника.
Из-за очень большой длины
волны ярко
выражена дифракция.Инфразвук,
образующийся в море, называют одной из
возможных причин нахождения судов,
покинутых экипажем[1] (см. Бермудский
треугольник, Корабль-призрак).

studfiles.net

это что? Ультразвук в медицине. Лечение ультразвуком

Несмотря на то что исследования ультразвуковых волн начались более ста лет назад, только последние полвека они стали широко использоваться в различных областях человеческой деятельности. Это связано с активным развитием как квантового и нелинейного разделов акустики, так и квантовой электроники и физики твердого тела. Сегодня ультразвук – это не просто обозначение высокочастотной области акустических волн, а целое научное направление в современной физике и биологии, с которым связаны промышленные, информационные и измерительные технологии, а также диагностические, хирургические и лечебные методы современной медицины.

Что это?

Все звуковые волны можно подразделить на слышимые человеком — это частоты от 16 до 18 тыс. Гц, и те, которые находятся вне диапазона людского восприятия — инфра- и ультразвук. Под инфразвуком понимаются волны аналогичные звуковым, но с частотами, ниже воспринимаемых человеческим ухом. Верхней границей инфразвуковой области считается 16 Гц, а нижней — 0,001 Гц.

Ультразвук – это тоже звуковые волны, но только их частота выше, чем может воспринять слуховой аппарат человека. Как правило, под ними понимают частоты от 20 до 106 кГц. Верхняя их граница зависит от среды, в которых эти волны распространяются. Так, в газовой среде предел составляет 106 кГц, а в твердых телах и жидкостях он достигает отметки в 1010 кГц. В шуме дождя, ветра или водопада, грозовых разрядах и в шуршании перекатываемой морской волной гальки есть ультразвуковые компоненты. Именно благодаря способности воспринимать и анализировать волны ультразвукового диапазона киты и дельфины, летучие мыши и ночные насекомые ориентируются в пространстве.

Немного истории

Первые исследования ультразвука (УЗ) были проведены еще в начале XIX века французским ученым Ф. Саваром (F. Savart), стремившимся выяснить верхний частотный предел слышимости человеческого слухового аппарата. В дальнейшем изучением ультразвуковых волн занимались такие известные ученые, как немец В. Вин, англичанин Ф. Гальтон, русский П. Лебедев с группой учеников.

В 1916 году физик из Франции П. Ланжевен, в сотрудничестве с русским ученым-эмигрантом Константином Шиловским, смог использовать кварц для приема и излучения ультразвука для морских измерений и обнаружения подводных объектов, что позволило исследователям создать первый гидролокатор, состоявший из излучателя и приемника ультразвука. В 1925 году американец В. Пирс создал прибор, называемый сегодня интерферометром Пирса, измеряющий с большой точностью скорости и поглощение ультразвука в жидких и газовых средах. В 1928 году советский ученый С. Соколов первым стал использовать ультразвуковые волны для обнаружения различных дефектов в твердых, в том числе и металлических, телах.

В послевоенные 50-60-е годы, на основе теоретических разработок коллектива советских ученых, возглавляемых Л. Д. Розенбергом, начинается широкое применение УЗ в различных промышленных и технологических областях. В это же время, благодаря работам английских и американских ученых, а также исследованиям советских исследователей, таких как Р. В. Хохлова, В. А. Красильникова и многих других, быстро развивается такая научная дисциплина, как нелинейная акустика.

Примерно тогда же предпринимаются первые попытки американцев использовать ультразвук в медицине.

Советский ученый Соколов еще в конце сороковых годов прошлого века разработал теоретическое описание прибора, предназначенного для визуализации непрозрачных объектов — «ультразвукового» микроскопа. Основываясь на этих работах, в середине 70-х годов специалисты из Стэндфордского университета создали прототип сканирующего акустического микроскопа.

Особенности

Имея общую природу, волны слышимого диапазона, равно как и ультразвуковые, подчиняются физическим законам. Но у ультразвука есть ряд особенностей, позволяющих широко его использовать в различных областях науки, медицины и техники:

1. Малая длина волны. Для наиболее низкого ультразвукового диапазона она не превышает нескольких сантиметров, обуславливая лучевой характер распространения сигнала. При этом волна фокусируется и распространяется линейными пучками.

2. Незначительный период колебаний, благодаря чему ультразвук можно излучать импульсно.

3. В различных средах ультразвуковые колебания с длиной волны, не превышающей 10 мм, обладают свойствами, аналогичными световым лучам, что позволяет фокусировать колебания, формировать направленное излучение, то есть не только посылать в нужном направлении энергию, но и сосредотачивать ее в необходимом объеме.

4. При малой амплитуде существует возможность получения высоких значений энергии колебаний, что позволяет создавать высокоэнергетические ультразвуковые поля и пучки без использования крупногабаритной аппаратуры.

5. Под воздействием ультразвука на среду возникает множество специфических физических, биологических, химических и медицинских эффектов, таких как:

  • диспергирование;
  • кавитация;
  • дегазация;
  • локальный нагрев;
  • дезинфекция и мн. др.

Виды

Все ультразвуковые частоты подразделяются на три вида:

  • УНЧ – низкие, с диапазоном от 20 до 100 кГц;
  • УСЧ – среднечастотные — от 0,1 до 10 МГц;
  • УЗВЧ – высокочастотные — от 10 до 1000 МГц.

Сегодня практическое использование ультразвука – это прежде всего применение волн малой интенсивности для измерений, контроля и исследований внутренней структуры различных материалов и изделий. Высокочастотные используются для активного воздействия на различные вещества, что позволяет изменять их свойства и структуру. Диагностика и лечение ультразвуком многих заболеваний (при помощи различных частот) является отдельным и активно развивающимся направлением современной медицины.

Где применяется?

В последние десятилетия ультразвуком интересуются не только научные теоретики, но и практики, все более активно внедряющие его в различные виды человеческой деятельности. Сегодня ультразвуковые установки используются для:

Получение информации о веществах и материалах

Мероприятия

Частота в кГц

от

до

Исследование состава и свойств веществ

твердые тела

10

106

жидкости

103

105

газы

10

103

Контроль размеров и уровней

10

103

Гидролокация

1

100

Дефектоскопия

100

105

Медицинская диагностика

103

105

Воздействия

на вещества

Пайка и металлизация

10

100

Сварка

10

100

Пластическое деформирование

10

100

Механическая обработка

10

100

Эмульгирование

10

104

Кристаллизация

10

100

Распыление

10-100

103-104

Коагуляция аэрозолей

1

100

Диспергирование

10

100

Очистка

10

100

Химические процессы

10

100

Воздействие на горение

1

100

Хирургия

10 до 100

103 до 104

Терапия

103

104

Обработка и управление сигналами

Акустоэлектронные преобразователи

103

107

Фильтры

10

105

Линии задержки

103

107

Акустооптические устройства

100

105

В современном мире ультразвук — это важный технологический инструмент в таких промышленных отраслях, как:

  • металлургическая;
  • химическая;
  • сельскохозяйственная;
  • текстильная;
  • пищевая;
  • фармакологическая;
  • машино- и приборостроительная;
  • нефтехимическая, перерабатывающая и другие.

Кроме этого, все более широко используется ультразвук в медицине. Вот об этом мы и поговорим в следующем разделе.

Использование в медицине

В современной практической медицине существует три основных направления использования ультразвука различных частот:

1. Диагностическое.

2. Терапевтическое.

3. Хирургическое.

Рассмотрим более подробно каждое из этих трех направлений.

Диагностика

Одним из наиболее современных и информативных методов медицинской диагностики является ультразвуковой. Его несомненные достоинства — это: минимальное воздействие на человеческие ткани и высокая информативность.

Как уже говорилось, ультразвук — это звуковые волны, распространяющиеся в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью. Если на их пути находятся области с различными акустическими плотностями, то часть колебаний отражается, а другая часть преломляется, продолжая при этом свое прямолинейное движение. Таким образом, чем больше разница в плотности пограничных сред, тем больше ультразвуковых колебаний отражается. Современные методы ультразвукового исследования можно подразделить на локационные и просвечивающие.

Ультразвуковая локация

В процессе такого исследования регистрируются отраженные от границ сред с различными акустическими плотностями импульсы. При помощи перемещаемого датчика можно установить размер, расположение и форму исследуемого объекта.

Просвечивание

Этот метод основан на том, что различные ткани человеческого организма по-разному поглощают ультразвук. Во время исследования какого-либо внутреннего органа в него направляют волну с определенной интенсивностью, после чего специальным датчиком регистрируют прошедший сигнал с обратной стороны. Картина сканируемого объекта воспроизводится на основе изменения интенсивности сигнала на «входе» и «выходе». Полученная информация обрабатывается и преобразуется компьютером в виде эхограммы (кривой) или сонограммы – двухмерного изображения.

Допплер-метод

Это наиболее активно развивающийся метод диагностики, в котором используются как импульсный, так и непрерывный ультразвук. Допплерография широко применяется в акушерстве, кардиологии и онкологии, так как позволяет отслеживать даже самые незначительные изменения в капиллярах и небольших кровеносных сосудах.

Области применения диагностики

Сегодня ультразвуковые методы визуализации и измерений наиболее широко применяются в таких областях медицины, как:

  • акушерство;
  • офтальмология;
  • кардиология;
  • неврология новорожденных и младенцев;
  • исследование внутренних органов:

— ультразвук почек;

— печени;

— желчного пузыря и протоков;

— женской репродуктивной системы;

  • диагностика наружных и приповерхностных органов (щитовидной и молочных желез).

Использование в терапии

Основное лечебное воздействие ультразвука обусловлено его способностью проникать в человеческие ткани, разогревать и прогревать их, осуществлять микромассаж отдельных участков. УЗ может быть использован как для непосредственного, так и для косвенного воздействия на очаг боли. Кроме того, при определенных условиях эти волны оказывают бактерицидное, противовоспалительное, обезболивающее и спазмолитическое действие. Используемый в терапевтических целях ультразвук условно подразделяют на колебания высокой и низкой интенсивности. Именно волны низкой интенсивности наиболее широко применяется для стимуляции физиологических реакций или незначительного, не повреждающего нагрева. Лечение ультразвуком дало положительные результаты при таких заболеваниях, как:

  • артрозы;
  • артриты;
  • миалгии;
  • спондилиты;
  • невралгии;
  • варикозные и трофические язвы;
  • болезнь Бехтерева;
  • облитерирующие эндартерииты.

Проводятся исследования, во время которых используется ультразвук для лечения болезни Меньера, эмфиземы легких, язв двенадцатиперстной кишки и желудка, бронхиальной астмы, отосклероза.

Ультразвуковая хирургия

Современная хирургия, использующая ультразвуковые волны, подразделяется на два направления:

— избирательно разрушающая участки ткани особыми управляемыми ультразвуковыми волнами высокой интенсивности с частотами от 106 до 107 Гц;

— использующая хирургический инструмент с наложением ультразвуковых колебаний от 20 до 75 кГц.

Примером избирательной УЗ-хирургии может послужить дробление камней ультразвуком в почках. В процессе такой неинвазивной операции ультразвуковая волна воздействует на камень через кожу, то есть снаружи человеческого тела. К сожалению, подобный хирургический метод имеет ряд ограничений. Нельзя использовать дробление ультразвуком в следующих случаях:

— беременным женщинам на любом сроке;

— если диаметр камней более двух сантиметров;

— при любых инфекционных заболеваниях;

— при наличии болезней, нарушающих нормальную свертываемость крови;

— в случае тяжелых поражений костной ткани.

Несмотря на то что удаление ультразвуком почечных камней проводится без операционных разрезов, оно довольно болезненное и выполняется под общей или местной анестезией.

Хирургические ультразвуковые инструменты используются не только для менее болезненного рассечения костных и мягких тканей, но и для уменьшения кровопотерь. Обратим свой взор в сторону стоматологии. Ультразвук камни зубные удаляет менее болезненно, да и все остальные манипуляции врача переносятся гораздо легче. Кроме того, в травматологической и ортопедической практике ультразвук используется для восстановления целостности сломанных костей. Во время таких операций пространство между костными отломками заполняют специальным составом, состоящим из костной стружки и особой жидкой пластмассы, а затем воздействуют ультразвуком, благодаря чему все компоненты крепко соединяются. Те, кто перенес хирургические вмешательства, в ходе которых использовался ультразвук, отзывы оставляют разные — как положительные, так и отрицательные. Однако следует отметить, что довольных пациентов все же больше!

fb.ru

18. Ультразвук и его применение в медицине. Медицинская физика

18. Ультразвук и его применение в медицине

Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.

В организме ультразвук частотой 800—1000 кГц распространяется на глубину 8—10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.

Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fis.wikireading.ru

24. Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Применение ультразвука в медицине.

Ультразвук
в настоящее время получил разнообразные
применения.

Ультразвуковые
методы широко используются в научных
исследованиях для изучения свойств и
строения веществ, для выяснения
происходящих в них процессов на макро-
и микроуровнях.

Изучение
распространения ультразвука в кристаллах
даёт информацию об особенностях строения
кристаллической решётки.

По
скорости ультразвука определяют упругие
и прочностные характеристики металлов,
керамики, бетона, степень чистоты
материалов, наличие примесей.

Гидролокационные
приборы

эхолоты, гидролокаторы применяются для
целей навигации, в рыбном промысле,
военно-морском деле, океанологических
исследованиях.

Огромное
значение имеет применение ультразвуковых
волн для обнаружения скрытых дефектов
в материалах и изделиях – ультразвуковая
дефектоскопия.

В
фармацевтической промышленности при
изготовлении лекарств используется
способность ультразвука дробить тела,
помещенные в жидкость и создавать
эмульсии.

В
медицине ультразвук в различных
диапазонах используется для терапевтического
и хирургического лечения и диагностики.

Метод
лечения, при котором используются
колебания в диапазоне 800-3000 кГц, называется
ультразвуковой терапией.

В
лечебной практике используют в основном
малые дозы ультразвука, активизирующие
внутриклеточные процессы в тканях
(биосинтез белка, усиление активности
ферментов и т.д.). Терапевтические дозы
ультразвука оказывают выраженное
болеутоляющее, сосудорасширяющее,
противовоспалительное действие.

Под
влиянием ультразвука в зоне воздействия
повышается проницаемость кожи и слизистых
оболочек, что способствует введению в
ткани через кожу нанесенных на нее
лекарственных средств. Этот метод
называется фонофорезом.

Способность
ультразвуковых волн без существенного
поглощения проникать в мягкие ткани
организма и отражаться от уплотнений
и неоднородностей используется в
диагностических целях. Ультразвуковая
диагностика дополняет основной метод
исследования внутренних органов –
рентгенодиагностику, а иногда имеет
преимущества над ней.

Высокая
чувствительность ультразвуковой
аппаратуры позволяет получить эхограмму
мягких тканей, последить за движущимися
объектами, например, за частотой сердечных
сокращений, скоростью кровотока в
крупных сосудах.

Биологическое
действие ультразвука, т.е. изменения,
вызываемые в жизнедеятельности и
структурах биологических объектов при
воздействии на них ультразвука,
определяется, главным образом, его
интенсивностью и длительностью облучения
и может оказывать как положительное,
так и отрицательное влияние на
жизнедеятельность организмов. Так,
возникающие при сравнительно небольших
интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/см2)
механические колебания частиц производят
своеобразный микромассаж тканей,
способствующий лучшему обмену веществ
и лучшему снабжению тканей кровью и
лимфой.

УЗ
большой интенсивности (3-10 Вт/см2)
оказывает вредное воздействие на
отдельные органы и человеческий организм
в целом. Высокая интенсивность ультразвука
может привести к возникновению в
биологических средах акустической
кавитации, сопровождающейся механическим
разрушением клеток и тканей. 

studfiles.net

Применение ультразвука в медицине

Применение
ультразвука в медицине
Под редакцией К. Хилла
Перевод с английского под редакцией д-ра техн. наук Л. Р. Гаврилова и д-ра физ.-мат. наук А. П.
Сарвазяна
Оглавление

Предисловие редакторов перевода
Предисловие
ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Глава 1. Теоретические основы акустики (Э. Миллер)
1.1. Введение
1.2. Основные соотношения и определения линейной акустики
1.3. Простейшие виды бегущих волн
1.3.1. Плоские бегущие волны
1.3.2. Сферические бегущие волны
1.3.3. Цилиндрическая симметрия
1.3.4. Средняя интенсивность
1.4. Приближения и модели
1.4.1. Модель фазированной решетки
1.5. Распределенные гармонические источники и угловой спектр плоских волн
1.5.1. Определение углового спектра плоских волн
1.5.2. Средняя по времени мощность излучения распределенного гармонического источника
1.5.3. Связь с диаграммой направленности в дальней зоне
1.6. Нестационарные поля излучения распределенных источников
1.7. Одномерное волновое движение
1.7.1. Связь параметров акустической волны со свойствами материала
1.7.2. Отражение и прохождение при нормальном падении
1.7.3. Наклонное падение

1.7.4. Прохождение через пластинку (нормальное падение)
1.8. Нелинейные эффекты в жидких средах без потерь
Литература
Глава 2. Генерация акустических полей и их структура (К. Хилл)
2.1. Введение
2.2. Пьезоэлектрические преобразователи
2.3. Импульсные акустические поля
2.4. Фокусированные поля
2.4.1. Применение линз
2.4.2. Поля преобразователей краевых волн и аксиконов
2.5. Формирование пучков с помощью решеток преобразователей
2.6. Акустическое поле гибридной системы «Торонто»
2.7. Генерация акустических полей для терапии
2.8. Заключение
Литература
Глава 3. Прием и измерение ультразвука (Э. Миллер, К. Хилл)
3.1. Введение
3.2. Пьезоэлектрические устройства
3.2.1. Калибровка гидрофона методом взаимности
3.2.2. Методы проведения измерений в точке
3.3. Детекторы смещения
3.4. Измерения радиационного давления
3.4.1. Измерения с большой мишенью
3.4.2. Измерения с малой мишенью
3.5. Калориметрия
3.6. Методы оптической дифракции
3.7. Другие методы приема и измерения звука

3.8. Измерение биологически эффективных экспозиций и доз
Литература
Глава 4. Затухание и поглощение ультразвука (Дж. Бэмбер)
4.1. Введение
4.2. Сечения взаимодействия ультразвуковой волны с биологической тканью
4.3. Анализ механизмов поглощения продольных ультразвуковых волн
4.3.1. Однородные водоподобные среды
4.3.2. Вязкоупругие свойства квазитвердых сред
4.3.3. Неоднородные среды
4.3.4. Твердые тела
4.3.5. Зависимость затухания от температуры
4.3.6. Влияние внешнего давления
4.3.7. Взаимосвязь явлений поглощения, дисперсии, затухания и рассеяния звука
4.3.8. Нелинейные эффекты
4.3.9. Влияние кавитации
4.4. Измерение коэффициентов затухания и поглощения в биологических тканях
4.4.1. Методы измерений
4.4.2. Проблемы, связанные с артефактами и погрешностями измерений
4.5. Обзор литературных данных о коэффициентах затухания и поглощения
4.5.1. Биологически «простые» среды
4.5.2. Биологические ткани
4.6. Заключение
Литература
Глава 5. Скорость звука (Дж. Бэмбер)
5.1. Введение
5.2. Измерение скорости ультразвуковых волн в биологических тканях
5.2.1. Методы измерений

5.2.2. Проблемы, артефакты и погрешности
5.3. Анализ опубликованных данных о скорости звука
5.3.1. Общие замечания
5.3.2. Зависимость скорости звука от температуры и давления
5.3.3. Влияние структурных компонентов ткани
5.4. Заключение
Литература
Глава 6. Отражение и рассеяние ультразвука (Р. Дик и неон)
6.1. Введение
6.1.1. Содержание главы
6.1.2. Современное состояние теории рассеяния
6.1.3. Рассеяние волн произвольной природы
6.2. Основы теории рассеяния
6.2.1. Основные уравнения
6.2.2. Сечение рассеяния
6.2.3. Решение для одиночного препятствия
6.2.4. Дифракционная теория для совокупности рассеивателей
6.3. Рассеяние в случайно-неоднородных средах
6.3.1. Модели биологических тканей
6.3.2. Модель дискретных рассеивателей
6.3.3. Модель неоднородного континуума
6.4. Экспериментальное исследование рассеяния
6.4.1. Методы измерений
6.4.2. Взаимосвязь между полным сечением рассеяния и затуханием
6.4.3. Зависимость сечения рассеяния от частоты
6.4.4. Угловая зависимость коэффициентов рассеяния
6.4.5. Влияние различных компонентов тканей

6.5. Рассеяние импульсных сигналов
6.5.1. Основы теории: импульсная характеристика ткани
6.5.2. Свойства изображений, получаемых при В-сканировании
6.5.3. Пространственно-временная корреляция эхо-сигналов
6.6. Импедиография
6.6.1. Профили коэффициента отражения и акустического импеданса
6.6.2. Взаимосвязь с рассеянием
6.7. Заключение
Литература
ЧАСТЬ II. МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ
Глава 7. Визуализация в медицине (К. Хилл)
7.1. Введение
7.2. Количественные описания при получении и восприятии изображения
7.2.1. Измерение амплитуды отображаемого сигнала
7.2.2. Меры пространственных характеристик систем визуализации
7.3. Характеристики зрительного восприятия человека
7.3.1. Острота зрения и восприятие яркостного контраста
7.3.2. Фактор времени в зрительном восприятии
7.4. Место ультразвука в медицинской визуализации
7.5. Систематика интерпретации изображений
Литература
Глава 8. Эхо-импульсные методы визуализации и измерений (К. Хилл)
8.1. Введение
8.2. Режимы представления эхо-импульсной информации
8.3. Передаточная функция
8.3.1. Точечная мишень
8.3.2. Распределенные мишени

8.3.3. Протяженные границы
8.4. Сложное сканирование и некогерентность изображения
8.5. Влияние среды распространения
8.6. Обработка сигнала
8.6.1. Снижение уровня шумов
8.6.2. Частотная фильтрация
8.6.3. Обработка информации для отображения
8.7. Ограничение скорости сканирования и частоты кадров
8.8. Испытания и оценка характеристик систем
8.9. Области применения эхо-импульсных
8.9.1. Акушерство
8.9.2. Офтальмология
8.9.3. Исследование внутренних органов
8.9.4. Приповерхностные и наружные органы
8.9.5. Кардиология
8.9.6. Неврология
8.10. Заключение
Литература
Глава 9. Прочие методы визуализации (К. Хилл)
9.1. Введение
9.2. Двумерная регистрация акустического изображения
9.3. Трансмиссионная визуализация
9.4. Трансмиссионная реконструктивная визуализация полей затухания и скорости звука
9.5. Визуализация в режиме обратного рассеяния с реконструкцией по двум параметрам
9.6. Акустическая голография
9.7. Акустическая микроскопия
Литература

Глава 10. Телегистология (К. Хилл)
10.1. Введение
10.2. Использование объемных характеристик исследуемой ткани
10.3. Использование признаков эхограммы
10.4. Использование характеристик рассеяния на тканях
10.4.1. Частотный анализ
10.4.2. Ориентационный анализ
10.5. Использование параметров движения тканей
10.6. Заключение
Литература
Глава 11. Доплеровские методы (П. Фиш)
11.1. Введение
11.2. Эффект Доплера
11.3. Доплеровский прибор непрерывного излучения
11.4. Импульсно-доплеровский измеритель скорости кровотока
11.5. Анализ спектра доплеровского сигнала
11.5.1. Непрерывное излучение
11.5.2. Спектр импульсно-доплеровского сигнала
11.5.3. Форма спектра доплеровского сигнала
11.6. Средняя скорость
11.7. Пульсирующий поток
11.8. Ограничения теории
Литература
ЧАСТЬ III. БИОФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЭФФЕКТОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Глава 12. Биофизика ультразвуковых эффектов (Г. тер Хаар)
Введение
12.1. Тепловые механизмы

12.1.1. Теория
12.1.2. Экспериментальные наблюдения температурных распределений
12.2. Кавитация
12.2.1. Определения
12.2.2. Образование полостей
12.2.3. Порог, кавитации
12.2.4. Контроль кавитации
12.2.5. Экспериментально измеренные пороги кавитации
12.3. Радиационное давление, акустические течения и другие нетепловые механизмы
12.3.1. Радиационное давление
12.3.2. Акустические течения
12.3.3. Сдвиговые напряжения
12.3.4. Акустические микропотоки вокруг пузырька
12.3.5. Другие нетепловые эффекты
12.3.6. Силы взаимодействия частиц
12.3.7. Биологические эффекты
12.4. Некавитационные источники сдвиговых напряжений
12.5. Наблюдения эффектов нетепловой природы в структурированных тканях
12.5.1. Растительные ткани
12.5.2. Ткани млекопитающих
12.6. Выводы
Литература
Глава 13. Применение ультразвука в терапии и хирургии (Г. тер Хаар)
13.1. Введение
13.2. Физиологические основы ультразвуковой терапии
13.2.1. Нагрев
13.2.2. Нетепловые эффекты

13.3. Физиотерапия
13.3.1. Оборудование и методики
13.3.2. Использование ультразвука в физиотерапии
13.4. Хирургия
13.4.1. Хирургия с помощью фокусированного ультразвука
13.4.2. Болезнь Меньера
13.4.3. Инструментальная ультразвуковая хирургия
13.4.4. Стоматология
13.5. Ультразвук при лечении рака
Литература
Глава 14. Оценка безопасности применения ультразвука в медицине (Г. тер Хаар)
14.1. Введение
14.2. Практика и уровни облучения
14.3. Исследования на изолированных клетках
14.3.1. Лизис клеток
14.3.2. Репродуктивная способность
14.3.3. Изменения ультраструктуры клеток
14.3.4. ДНК и генетические эффекты
14.3.5. Функциональные изменения
14.4. Исследования на многоклеточных организмах
14.4.1. Эффекты в костях и мягких тканях
14.4.2. Воздействие на кровь и кровеносные сосуды
14.4.3. Последствия ультразвукового облучения эмбрионов
14.4.4. Ультразвук в онкологии
14.5. Исследования эмбрионов человека
14.6. Краткие рекомендации и указания по режимам облучения
14.7. Заключение

Литература
Дополнительная литература
Указатель обозначений
Предметный указатель
Сведения об авторах
Давно известно, что ультразвуковое излучение можно сделать узконаправленным. Еще в период первой мировой войны в военно-морском флоте предпринимались попытки использовать направленный ультразвук для целей подводной локации. Во время этих экспериментов французский физик Поль Ланжевен впервые заметил повреждающее действие ультразвукового излучения на живые организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что ультразвуковые волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний. Этот интерес не ослабевал и в дальнейшем, причем развитие медицинских приложений шло по самым разным направлениям; особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее лишь сравнительно недавно стал намечаться истинно научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии ультразвукового излучения с биологической средой.
Толчком к существенному развитию ультразвуковых диагностических методов явилось создание быстродействующих электронных импульсных систем обработки радиолокационных сигналов.
Такие системы стали широко внедряться в радиолокации в период второй мировой войны 1939—
1945 гг. Однако большинство первоначальных попыток применения ультразвуковых методов в диагностике носило в основном эмпирический характер. Лишь сравнительно недавно эта область приложений ультразвука получила признание как самостоятельная (и весьма увлекательная) область прикладной физики. Однако как практическое средство медицинского обследования ультразвук завоевал к настоящему времени весьма прочное положение. Оценки показывают, что сейчас ежегодное ультразвуковое обследование во всем мире проходят примерно 30—50 млн. па- циентов и их число увеличивается каждый год приблизительно на 20%. Эти цифры свидетельствуют о том, что по широте своего использования в качестве физического диагностического средства ультразвук приблизился к рентгеновским методам.
Предисловие
Следует отметить, что ультразвуковые методы начинают становиться на прочную научную основу.
Ранее уже был издан ряд прекрасных книг и пособий, посвященных вопросам применения ультразвука в медицине. Следует, однако, отметить, что в большинстве из них основное место занимает описание накопленных экспериментальных данных. В предлагаемой читателю книге предпринята попытка исследовать возможности медицинского применения ультразвука, исходя из физических принципов. С этих позиций мы не ставили себе целью создать справочное руководство, которое позволило бы быстро, но недостаточно критично воспользоваться достижениями современной ультразвуковой техники и технологии. Мы стремились (по-видимому, впервые) осветить данную тему по возможности логически последовательно, чтобы помочь тем читателям, которые еще только входят в эту тематику, достичь в ней успехов.
По своей сути распространение ультразвука представляет собой типичный волновой процесс, поэтому в гл. 1 детально излагаются основные понятия и методы волновой акустики. Для людей, склонных к аналитическим исследованиям, представленный основополагающий материал может послужить неким отправным моментом для более глубокого изучения интересующих их частных вопросов. Для специалистов, занимающихся прикладными задачами, он раскрывает общие
принципы, применение которых рассматривается в последующих главах. Гл. 2 посвящена теоретическому анализу акустических полей. Здесь рассматривается пространственная структура некоторых конкретных полей и дается описание методов генерации таких полей. Вообще говоря, интерес к использованию ультразвука в медицине и биологии обусловлен, во-первых, воз- можностью проведения с помощью ультразвуковых волн активного воздействия на живые ткани и, во-вторых, возможностью получения определенной информации о самих тканях. Эта информация может быть закодирована в самом ультразвуковом поле в результате различных взаимодействий этого поля с исследуемой средой. В обоих случаях необходимо уметь измерять характеристики ультразвукового поля. Описанию различных способов измерения полей посвящена гл. 3. В первых трех главах обсуждение полученных результатов проводится в основном при упрощающем допущении о том, что рассматриваемая среда является однородной и в ней отсутствуют потери акустической энергии. Как правило, в реальных средах, и особенно в тканях человеческого организма, это предположение далеко не соответствует истинной картине, поэтому в следующих трех главах проводится анализ физических параметров реальных тканей.
Здесь представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований механизмов затухания ультразвука, факторов, влияющих на скорость звука и ее изменение, а также процессов отражения и рассеяния ультразвуковых волн.
Вторая часть книги посвящена тем приложениям ультразвука, которые обычно принято называть
«диагностическими». Здесь значительное место уделено практическим методам акустической «ви- зуализации», суть которой заключается в представлении полученной информации об исследуемом объекте (например, о каких-либо участках в теле пациента) в виде изображений, позволяющих определить пространственное местоположение этого объекта и обеспечивающих возможность их визуального восприятия и анализа непосредственно человеком. Поскольку процесс визуального восприятия играет ключевую роль при анализе как обычных, так и акустических изображений, он рассматривается отдельно в короткой вступительной главе второй части книги. В большинстве практических приложений ультразвука в диагностике используется эхо-импульсный метод.
Вопросы, связанные с его применением, широко освещены в целом ряде книг и обзоров, поэтому в гл. 8 настоящей книги мы ограничились обсуждением основных принципов этого метода и его возможностей в наиболее важных медицинских приложениях. В гл. 9 рассматриваются различные способы получения изображений, где наряду со ставшим уже «классическим» эхо-импульсным методом визуализации обсуждаются и некоторые новые подходы к получению акустических изображений анатомических структур. В этой главе рассматриваются также вопросы, связанные с акустической микроскопией. Традиционно разработчики медицинских систем акустической визуализации стремились к тому, чтобы представить информацию, полученную об исследуемых анатомических структурах, в виде изображения, которое опытный оператор мог бы рассмотреть и сделать определенные качественные заключения. В последнее время широко стали исследоваться возможности получения на основе акустической визуализации количественных (объективных) данных, которые дополняли бы информацию, воспринимаемую непосредственно человеческим глазом и мозгом при анализе изображений. Исследование таких возможностей является предметом телегистологии, или «характеризации тканей», которая рассматривается в гл. 10. Следует подчеркнуть, что для целей телегистологии применение ультразвука представляется особенно многообещающим. Заключительная глава этой части книги посвящена методам измерения и анализа кровотока, в основе которых лежит применение специализированной обработки сигналов с использованием эффекта Доплера.
Как уже отмечалось, при определенных условиях ультразвуковое воздействие может привести к видоизменению тех клеток и тканей, через которые распространяются ультразвуковые волны. Три заключительные главы книги посвящены обзору тех явлений, которые происходят при активном ультразвуковом воздействии на биологическую среду. Здесь рассматриваются также практические последствия такого воздействия. Гл. 12 описывает биофизические аспекты действия ультразвука, а именно те механизмы, посредством которых акустическое воздействие приводит к заметному биологическому эффекту. В гл. 13 мы попытались дать научную оценку различным признанным и разрабатываемым приложениям ультразвука в терапии и хирургии. Другими словами, речь здесь идет о тех областях применения, где биологические изменения создают преднамеренно. В последней главе рассмотрен ряд вопросов, связанных с безопасностью активного ультразвукового
воздействия для пациентов и обслуживающего персонала при проведении различных медицинских процедур.
Благодарности. Выход в свет данной книги был бы невозможен без совместных усилий со стороны многих людей, принимавших непосредственное участие в ее написании и в подготовке рукописи к печати. Я очень признателен моим соавторам за творческое сотрудничество и проявленное упорство, без которых поставленная цель вряд ли была бы достигнута. В значительной степени в книге отражены научные интересы нашей собственной исследовательской группы, а также некоторые результаты ее работы за последние двадцать лет. Высоко ценю тот вклад в развитие медицинской акустики, который внесли за этот период мои коллеги, студенты и приглашенные сотрудники других групп, но, к сожалению, не всегда на страницах книги удалось в должной мере отразить их участие. Работы в данной области стали возможны благодаря поддержке со стороны Института онкологических исследований и Королевского госпиталя
Марсдена, а также их финансирующих организаций, в частности Совета по медицинским исследованиям и Секции исследования рака. Мне хотелось бы выразить им большую благодар- ность. Неоценимую помощь при подготовке текста и иллюстративного материала оказали Луиза
Паркес, Аннабел Томас и Джек Карент.
ЧАСТЬ I
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ГЛАВА 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИКИ
1.1. Введение
Распространение волн —это физическое явление, на котором основаны все методы и применения ультразвука в медицине. В настоящей книге сделана попытка, исходя из физических основ, выде- лить принципы и практические результаты, достигнутые в этой большой области, лежащей на стыке разных наук.
Основы волновой физики знакомы большинству читателей книги, и с учетом этого первая глава преследует несколько целей. Во-первых, она призвана напомнить читателям принятые обозначения и методологию. Во-вторых, в ней мы рассмотрим ограничения и приближения, необходимые для решения некоторых задач биомедицинской акустики. Втретьих, попытаемся представить краткий обзор математического аппарата, необходимого для решения ключевых задач в ряде тесно связанных разделов акустики — от создания решеток излучателей до физических основ эффекта радиационного давления, которые затем будут использованы при анализе пробле- мы измерений полной средней по времени мощности (см. гл. 3).
В одной главе бессмысленно даже пытаться дать сколь-нибудь полное и строгое исследование акустической теории, поэтому отсылаем читателя к работам Тёрстона [29], Морса и Ингарда [21],
Кинслера и Фрея [15], Найборга [22]. Более упрощенное, но полезное исследование дано в работе
Губермана [9].
Мы попытались сделать каждый раздел этой главы самостоятельным. Тема логически развивается от основных физических уравнений до получения полезных для практики результатов. Выбор темы до некоторой степени должен отражать привычки, интересы и опыт автора. Однако здесь сделана попытка выделить полезные и интересные темы, а также обеспечить понимание матема- тического аппарата, существа допущений и проблем.
С применениями ультразвука в медицине связано множество разных аспектов. Однако, при этом физика явления должна включать следующие процессы: распространение ультразвука в
«биологической среде», такой как тело человека, взаимодействие ультразвука с компонентами
этой среды и (по крайней мере в диагностических приложениях) измерение и регистрация акустического излучения, как падающего на объект, так и возникающего в результате взаимодействия с ним.
Проблема интерпретации взаимодействия акустического излучения с биологической средой существенно упрощается, если последнюю рассматривать не как твердое тело, а как жидкость. В такой среде нет сдвиговых волн, поэтому теория распространения волн проще, чем для твердого тела. В диапазоне ультразвуковых частот, применяемых в медицинской акустике, это предположение справедливо почти для всех тканей тела, хотя имеются и исключения, например кость. Следствия такого подхода рассмотрены в последующих главах. То, что взаимодействие ультразвука с тканью можно смоделировать его взаимодействием с жидкостями, — важный фактор, повышающий практическую ценность медицинской ультразвуковой диагностики.
С учетом реального отношения сигнал/шум эффективная глубина проникновения ультразвука в мягкие ткани (определенная как величина, обратная коэффициенту затухания по амплитуде) составляет около 100 длин волн. Этот факт влияет на конструкцию аппаратуры и обязательно учитывается при моделировании. С одной стороны, это означает, что можно применять устройства аподизации, фокусировки и сканирования пучка для направленной передачи акустической энергии, ограничения объема цели и уменьшения ее неоднозначности. Эти методы хорошо известны в различных областях оптики, радиолокации и акустической локации. С другой стороны, высокое отношение глубины проникновения к длине волны означает, что в первом приближении уравнения распространения можно решать без учета рассеяния и затухания.
Чтобы избежать сложностей теории распространения акустических импульсов, описание работы акустических излучателей обычно ограничивают непрерывным режимом. Между тем в большинстве медицинских диагностических приборов используются именно импульсные излучатели, генерирующие несколько периодов колебаний. Уметь моделировать и описывать такой сигнал очень важно. Например,известно, что продольное разрешение излучателя (в отличие от азимутального или поперечного) зависит от длительности импульса. Известно также, что при излучении коротких импульсов уменьшаются боковые лепестки и изрезанность структуры поля по сравнению с непрерывной волной. Боковые лепестки и изрезанность ухудшают качество изображения, так как приводят к неоднозначности цели или к снижению поперечного разрешения.

Поделитесь с Вашими друзьями:

zodorov.ru

Физические основы применения ультразвуковых волн в медицине Ультразвуковая диагностика. Хирургическое и терапевтическое применение ультразвука.

Медико-биологическое применение УЗ
можно разделить на два направления:
методы воздействия (низкочастотный и
среднечастотный ультразвук) и методы
диагностики (высокочастотный ультразвук)
и исследования.

Низкочастотный и среднечастотный
ультразвук
используют в медицине для
различных целей.

В фармакологии:

С помощью ультразвука можно размельчать
и диспергировать среды, что применяется,
например, при изготовлении коллоидных
растворов, высокодисперсных лекарственных
эмульсий (например, эмульсии камфорного
масла, аэрозолей). В зависимости от
условий воздействия и свойств среды
ультразвук может способствовать и
обратным процессам, например, осаждению
суспензий, коагуляции аэрозолей, очистке
газов от загрязняющих их примесей и др.

Ультразвук ускоряет некоторые химические
реакции, особенно процессы окисления
за счет реакционно-способных радикалов
Н,
ОН
и др, что может быть использовано
при получении химических соединений.

Кавитационный ультразвук используется
для разрушения оболочек растительных
или животных клеток и извлечения из них
различных биологически активных веществ
— ферментов, токсинов, витаминов и др.

В хирургии:

Ультразвук низкой частоты и высокой
мощности используют в хирургии для
разрушения злокачественных опухолей,
дробления камней в мочевом пузыре,
распиливания костей, сварки костной
ткани, резки тканей и т.п.

В терапии:

На организм при проведении ультразвуковой
терапии действуют три фактора:
механический, физический (тепловой)
и химический.

Механический фактор, обусловленный
переменным акустическим давлением,
проявляется в вибрационном «микромассаже»
тканей на клеточном и субклеточных
уровнях. Ультразвук повышает проницаемость
клеточных мембран, изменяет микроциркуляцию
и коллагеновую структуру тканей,
функциональную активность клеток,
вызывает акустические микропотоки в
протоплазме, что сопровождается
стимуляцией функций клеток и клеточных
включений.

Химическийфактор непосредственно
связан сфизическимфактором
(трансформацией поглощенной энергии
ультразвуковой волны в другие виды
энергии – тепло и энергию химических
реакций). В настоящее время в терапии
тепловому эффекту ультразвука придается
второстепенная роль. Ультразвук низкой
частоты и высокой мощности вызывает
образование свободных радикалов и
разрушение биологических молекул.

Терапевтическое действие низкочастотного
ультразвука основано на комплексном
действии механических, тепловых и
химических
факторов.

Ультразвук этого диапазона малой
мощности используется для лечения
гнойно-септических заболеваний, для
обработки инфицированных ран, благодаря
губительному действия ультразвука на
многие микроорганизмы. Наиболее
чувствительными к действию низкочастотного
ультразвука, по мнению большинства
исследователей, являются негемолитический
стрептококк, вульгарный протей,
неклостридиальная анаэробная микрофлора,
кишечная палочка, эхинококк, более
устойчивыми к озвучиванию считаются
золотистый вирулентный стафилококк и
синегнойная палочка. Наряду с собственным
бактерицидным эффектом низкочастотный
ультразвук сенсибилизирует действие
многих антибиотиков и антисептиков
(диоксидин, фурацилин, пероксид водорода,
тетрациклин, линкомицин, ампицилин и
др.).

При незначительных мощностях ультразвук
повышает проницаемость клеточных
мембран (используется в методе
ультрафонофореза лекарственных
веществ
), активизирует процессы
тканевого обмена, стимулирует
внутриклеточный биосинтез и регенераторные
процессы и т.д. Усиление репарационных
процессов в тканях при действии
низкочастотного ультразвука малой
мощности связано с активным влиянием
фактора на кровообращение. Ультразвук
вызывает расширение кровеносных сосудов,
в 2-3 раза увеличивает региональный
кровоток.

Низкочастотному ультразвуку малой
мощности характерны противовоспалительное
действие и иммуностимулирующий эффект.

Все эти эффекты низкочастотного
ультразвука малой мощности и обусловливают
использование его для терапевтических
целей. Ультразвук используют при лечении
больных язвенной болезнью желудка и
двенадцатиперстной кишки, бронхиальной
астмой, хроническим тонзиллитом,
деформирующим остеоартрозом, пяточной
шпорой, псевдоэрозией шейки матки,
трофических язв и т. п.

Ультразвук высокой частотыприменяется с диагностическими целями.
Разница в степени поглощения ультразвука
различными тканями может быть использована
для выяснения формы и локализации
труднодоступных внутренних органов
или патологических образований, например,
опухолей в ткани головного мозга. При
этом соответствующая область тела
последовательно по участкам «просвечивается»
ультразвуком. Интенсивность прошедшего
через ткани ультразвукового луча
регистрируется находящимся с другой
стороны приемником. Ультразвуковая
томография позволяет получать изображения
органов в различных сечениях. В данном
методе ультразвуковой преобразователь
состоит из ряда расположенных в линию
излучателей – приемников ультразвуковых
волн, включающихся поочередно с высокой
частотой чередования. Таким образом,
ультразвуковой луч перемещается вдоль
линии в определенном сечении исследуемого
объекта. Ультразвуковые лучи отражаются
от границ раздела структур организма,
доходят до приемника, где преобразуются
в электрические сигналы. Электрические
сигналы поступают на усилитель яркости
электронного луча монитора. На экране
монитора наблюдается изображение границ
органа в данном сечении. Для получения
изображения другого участка органа
ультразвуковой преобразователь
передвигается вручную.

Рис. 3. Схема метода ультразвуковой
томографии.

Методами УЗ диагностики являются
эхоэнцефалография, УЗ кардиография
(измерение размеров сердца в динамике),
ультразвуковая локация для определения
размеров глазных сред (в офтальмологии).
Одним из перспективных методов
ультразвуковой диагностики является
исследование гемодинамики, основанное
на эффекте Доплера.

Ультразвуковой метод определения
скорости кровотока.

На рисунке 5. приведена схема измерения
скорости кровотока на основе эффекта
Доплера.

От генератора 1электрических
колебаний УЗ-частоты сигнал поступает
на УЗ излучатель2и на устройство
сравнения частот3. Ультразвуковая
волна4проникает в кровеносный
сосуд5и отражается от движущихся
эритроцитов6. Отраженная
ультразвуковая волна7 попадает
в приемник8, где преобразуется
в электрическое колебание и усиливается.9– Мягкие ткани, в глубине которых
расположен сосуд.

Рис. 5.. Схема установки измерения скорости
кровотока на основе эффекта Доплера.

Усиленное электрическое колебание
попадает в устройство 3. Здесь
колебания, соответствующие падающей и
отраженной волнам, сравниваются, и
выделяется доплеровский сдвиг частоты
в виде электрического колебания:

U=U0cos
(2
дt).
(4)

Из формулы можно определить скорость
эритроцитов:

,
(5)

В крупных сосудах скорость эритроцитов
различна в зависимости от их расположения
относительно оси: «приосевые» эритроциты
движутся с большей скоростью, а
«пристеночные» — с меньшей. Ультразвуковая
волна отражается от разных эритроцитов,
следовательно, доплеровкий сдвиг
представляет собой интервал частот.
Поэтому этот метод позволяет определять
не только среднюю скорость кровотока,
но и скорость движения различных слоев
крови. В диагностическом плане появилась
возможность оценки значений и направлений
движения нормальных и патологических
потоков крови. Можно выделить потоки с
ламинарным и турбулентным движениями.
В эхоскопии эти задачи решаются в рамках
ультразвуковой доплерографии. В
современных ультразвуковых сканерах
заложена возможность звукового и
цветового кодирования различных
скоростных составляющих кровотока.
Метод, основанный на цветовом выделении
зон патологического и нормального
движения крови из общего черно-белого
изображения, получил названиецветового
доплеровского картирования кровотока
.
Для повышения чувствительности этих
двух методов при исследовании мелких
сосудов используютэхоконтрастные
вещества.
Большинство этих веществ
представляет собой суспензии, содержащие
микропузырьки газа, усиливающие
отраженный доплеровский сигнал (СО2,
препараты с пузырьками газа, содержащие
стабилизаторы, такие как альбумин,
тканеспецифичные вещества). Контрастные
вещества широко используются для более
точного определения области роста
опухоли.

studfiles.net

Медицинская физика — Ультразвук и его применение в медицине

Ультразвук и его применение в медицине

Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.

В организме ультразвук частотой 800—1000 кГц распространяется на глубину 8—10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.

Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

cribs.me