Реферат Эхография. Реферат физические основы применения ультразвука в медицинской диагностике (эхография)

• Название: Реферат физические основы применения ультразвука в медицинской диагностике (эхография)
• Дата: 30.05.2021
• Размер: 134.03 Kb.
• Имя файла: Реферат Эхография.docx
• Тип: Реферат; #211727

Министерство здравоохранения Российской Федерации

ФГБОУ ВО “Ижевская государственная медицинская академия”

Кафедра медбиофизики, информатики и экономики

РЕФЕРАТ

Физические основы применения ультразвука в медицинской диагностике

(эхография)


Выполнила:

Студентка 1 курса

125 гр. леч.ф-та

Дружинина А.С.

Проверил . преподаватель
Рябчикова М.С.

Ижевск-2021

Содержание

Введение 2

Физические основы ультразвуковой диагностики 3

Взаимодействие ультразвука с веществом 8

Применение ультразвука в медицине.Эхография 11

Заключение 15

Литература 16

Введение

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)

Задачи:

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*10⁴ – 10⁹ Гц [4].

Ультразвуковые колебания, не воспринимаются человеческим ухом. Частоты ультразвука условно подразделяют на три области:

УЗНЧ - ультразвук низких частот – (2*10⁴ – 10⁵ Гц),

УЗСЧ - ультразвук средних частот – (10⁵ – 10⁷ Гц),

УЗВЧ – ультразвук высоких частот – (10⁷ – 10¹⁰ 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<<λ, то возникающий в таком случае фронт волны считают сферическим. При условии λ<


Рис.2 Различные виды акустических волн: а – плоская, б - сферическая, в - цилиндрическая. Стрелками показаны направления распространения волн

Физическими характеристиками ультразвука являются:

1. 
   Длина волны УЗ
   

Длины волн ультразвуковых колебаний при высоких частотах приближаются к длинам волн света. Так, в воздухе при частоте 10⁸ 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;

ρ-плотность

3)Разрешающая способность

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/см², средняя - 0,6 – 1,2 Вт/см² , большая - свыше 1,2 Вт/см² , а в биологических исследованиях до 1000 Вт/см² .

5) УЗ давление

При распространении УЗ волны в среде возникают области сжатия и разрежения. Появляющееся при этом переменное давление (измеряется в Паскалях, Па = Н/м² ) называется звуковым и равно

p = р₀ +P_max cos [ω(t- )],

где р₀- давление в среде в отсутствие волны;

P_max= Аρcω - амплитуда переменного звукового давления.

Существует связь между интенсивностью и звуковым давлением:



где ρ - плотность среды;

ʋ - скорость звука.

Взаимодействие ультразвука с веществом

1. Дифракция

Если препятствие на пути прохождения волны меньше 1/4 длины волны, то волна от него не отражается и за ним не возникает тени, т.е. наблюдается явление дифракции. УЗ волна способна отражаться от объектов при условии, что их величина составляет не менее 1/4 длины УЗ волны. «Непрозрачное» тело размером 0,2 м. не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1м, но станет преградой для УЗ волны с длиной 1мм, при этом возникнет отражённая УЗ волна, а за телом возникнет УЗ тень.

2. Интерференция

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.

5.Отражение

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.

Эхо – отраженная от какого-либо препятствия звуковая волна, которая воспринимается наблюдателем.

1. 
   Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале
   

Рис.3

2. Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.

Р
ис.4

3.Выпуклая поверхность звука рассеивает.

Рис.5

6.Преломление

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.





Рис.6

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*10⁴ – 10⁹ Гц.

Рассмотрев физические основы ультразвуковой диагностики, выявила, что ультразвук обладает следующими характеристиками:

1) Длина волны

2) Скорость распространения волны

3) Разрешающая способность

4) Интенсивность ультразвука

5) Ультразвуковое давление

При взаимодействии ультразвука с веществом происходят следующие явления:

2. 
   Дифракция
   
3. 
   Интерференция
   
4. 
   Рассеяние ультразвуковых волн
   
5. 
   Волновое сопротивление
   
6. 
   Отражение
   
7. 
   Преломление
   

На основании этих характеристик и взаимодействий, ультразвуковой метод нашел широкое диагностическое применение и стал неотъемлемой частью клинического обследования больных. По абсолютному числу ультразвуковые исследования в плотную приблизились к рентгенологическим. Одновременно существенно расширились и границы использования эхографии. Эхография - это метод исследования структуры и функции органов и получения изображения среза органов, соответствующего их реальным размерам и состоянию.

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.

4) Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учеб. для мед. спец. вузов.- М.: Высш.школа,1996.- 608 с.
5. Ультразвуковое исследование [Электронный ресурс] / URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ультразвуковое_исследование (дата обращения: 23.02.2021г.)