Методы ультразвуковой диагностики: ультразвуковая интраскопия (УЗИ), ультразвуковая локация, определение скорости с помощью ульт. Реферат физика. Реферат По физике на тему Методы ультразвуковой диагностики ультразвуковая интраскопия (узи), ультразвуковая локация, определение скорости с помощью ультразвука
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Реферат По физике на тему: «Методы ультразвуковой диагностики: ультразвуковая интраскопия (УЗИ), ультразвуковая локация, определение скорости с помощью ультразвука». Выполнил: Принял: Самара 2020 Содержание Введение …………………………………………………………………………. 3 1. Физические и биофизические основы ультразвукового метода диагностики ……………………………………………………………………… 4 1.1 Физические основы ультразвуковой диагностики ………………………... 4 1.2 Биофизика ультразвукового метода исследования ………………………... 4 2. Ультразвуковая интраскопия (УЗИ)………………………………………….. 6 3. Ультразвуковая локация ……………………………………………………… 8 4. Определение скорости с помощью ультразвука…………………………….. 11 4.1 Применение ультразвука для измерения скорости в промышленности …. 11 4.2. Ультразвуковое измерение скорости в медицине. Доплерография ……… 12 Заключение ………………………………………………………………….......... 15 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 настоящее время, наряду с компьютерной томографией и другими более современными методами, ультразвуковая диагностика используется повсеместно, являясь одним из ведущих диагностических методов во многих разделах клинической медицины, а также в промышленности и технике. 1. ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ 1.1 Физические основы ультразвуковой диагностики Ультразвуком называются звуковые колебания, лежащие выше порога восприятия органа слуха человека. Пьезоэффект, благодаря которому получают ультразвуковые колебания, был открыт в 1881 году братьями П. Кюри и Ж.-П. Кюри. Свое применение он нашел во время первой мировой войны, когда К.В. Шиловский и П. Ланжевен разработали сонар, использовавшийся для навигации судов, определения расстояния для цели и поиска подводных лодок. В 1929 году С.Я. Соколов применил ультразвук для неразрушающего контроля в металлургии (дефектоскопия). Этот крупнейший советский физик-акустик явился родоначальником ультразвуковой интроскопии и автором наиболее часто используемых и совершенно различных по своей сути методов современного звуковидения. Попытки использования ультразвука в целях медицинской диагностики привели к появлению в 1937 году одномерной эхоэнцефалографии. Однако лишь в начале пятидесятых годов удалось получить ультразвуковое изображение внутренних органов и тканей человека. С этого момента ультразвуковая диагностика стала широко применяться в лучевой диагностике многих заболеваний и повреждений внутренних органов. 1.2. Биофизика ультразвукового метода исследования С точки зрения физики ультразвука ткани человеческого тела близки по своим свойствам жидкой среде, поэтому давление на них ультразвуковой волны может быть описано как сила, действующая на жидкость. Изменение давления в среде может происходить перпендикулярно в плоскости вибрации источника ультразвука. В этом случае волну называют продольной. В ультразвуковой диагностике основную информацию несут преимущественно продольные волны. В твердых телах, например, в костях или металлах, возникают поперечные волны. Звуковые волны являются механическими по своей природе, так как в основе их лежит смещение частиц упругой среды от точки равновесия. Именно за счет упругости и происходит передача звуковой энергии через ткань. Упругость – это возможность объекта после сжатия или растяжения вновь приобретать свой размер и форму. Скорость распространения ультразвука зависит прежде всего от упругости и от плотности ткани. Чем больше плотность материала, тем медленнее должны распространяться в нем (при одинаковой упругости) ультразвуковые волны. 1 Но к этому физическому параметру следует подходить с осторожностью. Скорость звука при прохождении его через разные среды биологического организма может быть различной, в таблице представлены скорости распространения ультразвука в различных средах. Таблица 1
Для различных типов ультразвуковых исследований применяются разные виды ультразвуковых волн. Наиболее важными параметрами являются частота излучения, диаметр поверхности трандюссера и фокусировка ультразвукового пучка. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используются частоты 1; 1,6; 2,25; 3,5; 5 и 10 МГц. В аппаратах имеется возможность регулировать излучаемый и принимаемые сигналы, так же имеется возможность усиления изображения эхосигналов. 2 2. Ультразвуковая интраскопия (УЗИ). Ультразвуковая диагностика (УЗД), ультразвуковая интроскопия это неразрушающее (неинвазивное) исследование организма человека или внутренней структуры различных объектов и протекающих в них процессов спомощью ультразвуковых волн. 2 Основой метода ультразвуковой диагностики является регистрация отраженных от внутренних структур ультразвуковых волн – эхо (по аналогии с отражением обычным отражением волн звукового диапазона). Для обозначения данного метода диагностики могут использоваться названия ультразвуковая томография или сонотомография, т.к. изображения получают в определенных плоскостях или срезах. Ультразвуковая диагностика применяется в клинической практике. За последние несколько десятилетий метод стал одним из наиболее распространенных и важных, который обеспечивает диагностику многих заболеваний. Ультразвуковой метод диагностики не имеет противопоказаний, считается безопасным для биологических организмов, его отличает достаточно высокая диагностическая эффективность (точность диагностики в ряде заболеваний в сравнении с патологоанатомическими данными достигает более 80%), простота, отсутствие лучевой нагрузки (позволяет исследовать беременных и детей), не инвазивность, возможность многократного исследования, а также то, что она проводится в режиме реального времени. 3 Небольшие размеры оборудования ультразвуковой диагностики позволяют доставить его в любое лечебное учреждение для обследования тяжелых, нетранспортабельных больных. Еще одним достоинством является одномоментное исследования многих органов и систем, что особенно важно при сложной клинической картине. Существенным преимуществом по сравнению с другими методами лучевой диагностики является экономичность метода. Так, стоимость ультразвукового исследования в несколько раз меньше, чем традиционного рентгеновского метода, и в десятки раз меньше, чем РКТ и МРТ. Поэтому УЗИ может применяться в качестве скриннингового метода для исследования многих органов и систем. Вместе с тем ультразвуковому методу диагностики присущи некоторые недостатки: - существенные ограничения в исследовании ряда органов и систем (легкие, внутренняя костная структура, головной мозг у взрослых, кишечник, заполненный газом); - зависимость качества получаемого изображения от класса аппарата; - субъективность в интерпретации получаемых изображений, т.е. зависимость точности диагностики от квалификации врача; - плохая демонстративность застывших изображений, и, соответственно, относительно низкие возможности в документировании изображений. 3 Тем не менее, УЗИ в настоящее время стало методом, наиболее часто применяемым в клинической практике. В диагностике заболеваний ряда органов и систем данный метод может рассматриваться как предпочтительный или основной метод диагностики. В клинически сложных случаях результаты УЗИ позволяют наметить план дальнейшего обследования больных с использованием более эффективных лучевых методов. УЗИ широко применяется для диагностики заболеваний различных органов и систем. Особенно метод обладает высокой диагностической эффективностью при исследовании пищеварительной системы (печени, желчного пузыря, желчевыводящих протоков, поджелудочной железы), сердечно-сусудистой системы, мочеполовой (почек, матки, яичников, простаты), в акушерстве (пренатальной диагностике), исследовании поверхностно расположенных органов (молочных желез, щитовидной железы, лимфатических узлов) и др. 3. Ультразвуковая локация. У летучих мышей и целого ряда других животных выработался своеобразный механизм ориентировки с помощью ультразвуковой локации. Сущность ее заключается в улавливании при помощи очень тонкого слуха отраженных предметами звуков высокой частоты, издаваемых голосовым аппаратом зверька. Учащая ультразвуковые импульсы и улавливая их отражения, летучая мышь способна определять не только наличие предмета, но и расстояния до него и т.п. Такая локация почти полностью заменяет слабо развитое зрение. Сходного типа устройство имеется и у китообразных, способных передвигаться в совершенно непрозрачной воде, не наталкиваясь на препятствия. Достаточно хорошо изучен своеобразный ультразвуковой язык дельфинов. Эхолокация создала предпосылки для возникновения уникальной системы коммуникации, недоступной другим животным. 4 Применение эхолокации для общения может сочетаться со специальными коммуникационными сигналами. У дельфинов обнаружены свистовые сигналы, названные опознавательными. Зоологи считают, что это собственное имя животного. Отсаженный в отдельное помещение дельфин непрерывно генерирует свои позывные, явно стремясь установить звуковой контакт со стадом. Опознавательные сигналы разных дельфинов отчетливо различаются. Иногда животные генерируют "чужие" позывные. Может быть, дельфины передразнивают друг друга или с помощью чужих позывных окликают своих товарищей, приглашая на "беседу" вполне определенных животных.  Ультразвуковая локация применяется не только в животном мире, но и в технике. Ультразвуковая локация основана на использовании ультразвука малой интенсивности. Ультразвук имеет преимущество перед звуковыми волнами, благодаря малой длине волны. Так, например, в морской воде при частоте 500 Гц длина волны звука равна 3 м, а при частоте 500 кГц — всего 0,3 см. Малая длина волны может значительно повышать разрешающую способность ультразвуковых методов, а также получать направленное излучение большой интенсивности в малом объеме. Сравнительно малая длина ультразвуковых волн дает возможность для изучения их распространения в ряде случаев методами геометрической акустики. Отсюда следуют такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки. На этих свойствах базируются исследования микроскопических неоднородностей среды. Большую роль ультразвук играет в гидроакустике, поскольку он является единственным видом упругих волн, которые хорошо распространяются в морской воде. Затухание ультразвука в воде в несколько раз меньше, чем в воздухе. Вибратор с плоской поверхностью излучает плоские ультразвуковые волны, которые распространяются параллельными прямолинейными пучками. Направленные ультразвуковые пучки нашли широкое применение для целей локации (нахождение предметов и определение расстояния до них) в воде. Первые точные измерения глубин были сделаны в 1918 г. французским физиком Полем Ланжевеном (1872—1946). Он использовал пьезокварцевый излучатель и приемник ультразвуковых волн. Излучатель Ланжевена для посылки ультразвуковых импульсов изображен на рис. 1. В нем пластинка кварца помещалась между двумя стальными пластинками A и B, которые выполняли роль электродов. Одна из стальных пластинок контактировала с водой, излучая ультразвуковые колебания. Импульсы напряжения подавались на стальные электроды через определенные промежутки времени. Ультразвуковой импульс после отражения от дна возвращался назад в виде эха и воспринимался тем же излучателем, который теперь служил уже приемником. Измерив интервал времени между посылкой импульса и приходом его после отражения от предмета и зная скорость ультразвука в воде, можно найти расстояние до исследуемого предмета: L =υt 2 . Рельеф морского дна измеряется эхолотами. Приборы, которые позволяют выявить преграды в воде (подводную лодку, айсберг, косяк рыб и т. д.), называют гидролокаторами. В современных гидроакустических приборах вместо кварцевых излучателей и приемников используются магнитострикционные и сегнетоэлектрические. Явление отражения ультразвука на границе разных сред было использовано при создании приборов для определения размеров изделий (ультразвуковые толщиномеры), измерения уровня жидкости в больших емкостях, где нельзя выполнить прямые замеры. Ультразвуковые приборы, которые служат для выявления дефектов (раковин, трещин и др.) в разных изделиях из твердых материалов, называются ультразвуковыми дефектоскопами. Наиболее удобный импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии был предложен в 1928 г. советским физиком С.Я. Соколовым (1897—1957). Если размеры дефекта больше длины волны, то ультразвуковой импульс будет отражаться от дефекта и возвращаться назад. Посылая ультразвуковые импульсы и регистрируя отраженные импульсы, можно не только обнаружить дефекты в изделиях, но и определить размеры и местонахождение этих дефектов. Современные дефектоскопы позволяют контролировать металлические детали размерами более 10 м и обнаруживать дефекты внутри них размерами около миллиметра. Ультразвуковые методы широко применяются в качестве инструмента исследования структуры вещества. Изменения скорости распространения и параметров затухания ультразвука зависят от внешних условий (давления, температуры и др.). На этом основываются промышленные методы контроля наличия примесей, исследования свойств кристаллических материалов, измерения упругих и вязких характеристик веществ и т. д. В последнее время ультразвук широко используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения в разных отраслях медицины. Способность ультразвука без значительного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от неоднородностей используются для исследования внутренних органов. 4. Определение скорости с помощью ультразвука. 4.1. Применение ультразвука для измерения скорости в промышленности. В настоящее время ультразвуковые технологии широко применяются в промышленности. В качестве примера приведем ультразвуковые ультразвуковой волны (time-of-flight, TOF) от скорости потока для определения объема самого потока. При этом рассчитывается разность времени распространения ультразвука в прямом и обратном направлении. Данная технология отлично подходит для измерения скорости потока в широком диапазоне значений и позволяет работать как с жидкостями, например, водой или маслом, так и с газами, например, воздухом и метаном. Ультразвуковые измерители на основе TOF определяют скорость потока, основываясь на разнице во времени распространения ультразвуковых сигналов в направлении потока и в обратном направлении. Ультразвуковая волна движется быстрее при распространении в направлении потока и медленнее, при распространении против потока. При использовании такой технологии датчики могут находиться как внутри Рис.2, так и снаружи трубы Рис. 3.    Рис. 3 Измеритель расхода и скорости потока с внешними датчиками. В обоих случаях необходимо обеспечить прямой путь прохождения жидкости (газа) между двумя трансдьюсерами, что требует соответствующей конструкции измерительной трубки, в которой эти трансдьюсеры размещены. Технология не эффективна при наличии пузырьков воздуха, так как они приводят к значительному ослаблению ультразвукового сигнала. Поскольку скорость распространения звука зависит от состава компонентов среды, то ультразвуковая технология на основе TOF также может быть использована для анализа состава потока. 4.2. Ультразвуковое измерение скорости в медицине. Доплерография. Метод ультразвуковой допплерографии основан на физическом эффекте, носящем имя Доплера. Он заключается в том, что изменение частоты и длины волны для наблюдателя (приемника) из-за движения источника излучения или наблюдателя (приемника).  (1)где ω – частота, с которой воспринимается сигнал; ω0 – частота, с которой излучается волна источником; V – скорость движения источника вторичных (отраженных) волн; сс - скорость света; с - скорость распространения сигнала в среде; Q – угол между скоростью V и волновым вектором К излучаемой волны. Если объект движется на встречу неподвижному датчику, то он встречает больше ультразвуковых волн за тот же период времени. Если объект удаляется от датчика, то волн меньше. 5 В медицине существует два типа доплерографии. Первый тип это непрерывная доплерография, а второй импульсная. Рассмотрим один из типов доплерографии. А именно, непрерывноволновой доплер. При этом методе исследования ультразвуковые волны генерируются непрерывно, одним пьезокристаллическим элементом, а регистрируются отраженные волны другим пьезоэлементом. В электронном блоке прибора производится сравнение двух частот ультразвуковых колебаний: направленных на объект и отраженных от него. По сдвигу частот этих колебаний судят о скорости движения анатомических структур. Анализ сдвига частот может производиться акустическим способом или с помощью самописцев. В ультразвуковых диагностических приборах определяется не сама частота колебания, поступающего в приемник, а разность этой частоты f и частоты f0 — колебания, излучаемого источником. Эта разность называется доплеровским сдвигом частоты FD 5. Для случая движения отражателя в сторону датчика его можно вычислить следующим образом:  (2)Из литературных данных известно, скорость кровотока не превышает нескольких метров в секунду, а скорость звука в крови в среднем равна 1540 м/с. Следовательно, принимаем V с (скорость кровотока меньше скорости звука), выражение для доплеровского сдвига FD принимает вид:  (3)В вышерассмотренном примере предполагалось, что отражатель движется вдоль направления на датчик (по оси датчика, а точнее, вдоль оси ультразвукового луча). В общем случае движение отражающих структур может происходить в произвольном направлении, т.е. вектор скорости движения может быть направлен под некоторым углом α относительно направления на датчик. Доплеровский сдвиг частоты определяется проекцией скорости V на линию, соединяющую отражатель с датчиком, т.е. величиной V·cosα. 5 Следовательно, выражение для доплеровского сдвига частоты должно иметь вид:  (4)частота f0 колебаний, излучаемых датчиком, известна. Скорость звука в большинстве мягких тканей приблизительно равна с = 1540 м/с Величина угла α, оценивается с помощью ультразвукового сканирования, позволяющего определить ориентацию сосуда, то есть, угол α, между направлением кровотока и направлением на датчик прибора. Для увеличения точности измерения кровотока необходимо ориентировать датчик так, чтобы уменьшить или увеличить угол α по сравнению с углом 90°. 5 Основной областью применения метода непрерывноволнового доплера является: исследование кровотока в периферических сосудах, анализ атриовентрикулярного и аортального кровотока. Заключение В заключение проведенного анализа развития оборудования ультразвуковой диагностики и применяющихся методик их использования. Мы можем отметить, что за последние сто лет с момента начала изучения и применения ультразвука. Ультразвуковое оборудование стало повсеместно применяться в науке и технике, а особенно в медицине в качестве диагностического оборудования. За счет разработки новых методик применения ультразвукового оборудования и развития электроники многократно улучшилось разрешающая способность и качество обработки отраженного ультразвукового сигнала. Все это, при небольшом весе оборудования, а также, невысокой цене по сравнению с другими способами диагностиками делают привлекательным дальнейшее использование и развитие оборудования ультразвуковой диагностики. Список литературы 1. Акопян В.Б. Физические основы УЗ терапии. Мед. Физика, 2001, 11, С. 9. 2. Физические основы использования ультразвука в медицине. Учебное пособие. И.И. Резников, В.Н. Фёдорова, Е.В. Фаустов, А.Р. Зубарев, А.К. Демидова. РНИМУ имени Н.И. ПИРОГОВА Москва 2015. с. – 97. 3. Лучевая диагностика: Учебник Т. 1. / под ред. Г. Е. Труфанова — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. с.39-40. 4. Звуковые волны. В воздухе, воде и твердых телах. В.А. Красильников Гос. издательство технико-теоретической литературы. Москва 1954 г. 5. Основы интроскопии : учебное пособие / В.Н. Степанов; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2011. – 141с. |