Биофизическое обоснование методов ультразвуковой диагностики

Применение ультразвука в диагностике основано на повышенной разрешающей (по поглощению) способности при визуализации тканей близких по плотности по сравнению с рентгеновским излучением и некоторых особенностях его распространения. Кроме того, действие ультразвука малой интенсивности совершенно безвредно для организма, тогда как действие рентгеновских лучей далеко не безвредно.

Вследствие малой длины волны ультразвук излучается в виде узких направленных пучков. Скорость распространения и поглощения ультразвука зависит от свойств среды. Поглощение ультразвука в среде происходит по закону

где I₀ - интенсивность ультразвука, падающего на слой вещества,

I - интенсивность ультразвука, прошедшего слой вещества толщиной l; m - коэффициент поглощения.

Ультразвук очень сильно поглощается газами и во много раз слабее - жидкостями. Так коэффициент поглощения ультразвука в воздухе примерно в 1 000 раз больше, чем в воде. Поэтому контакт между ультразвуковым излучателем и облучаемым объектом не должен содержать воздушной прослойки. Поглощение ультразвука в данной среде зависит и от частоты: при повышении частоты коэффициент поглощения увеличивается.

Отражение ультразвукового пучка от границы раздела двух сред, происходит по законам геометрической оптики, зависит от физических свойств среды и характеризуется коэффициентом отражения a,который определяют из соотношения

a = ,

где Z₁ и Z₂ - акустические сопротивления первой и второй среды соответственно:

Z = rV,

где r - плотность среды, V - скорость распространения ультразвука в данной среде.

Свойства УЗ-волн отражаться от границы неоднородности сред лежит в основе локационного диагностического метода. Данный метод основан на использовании одиночных ультразвуковых импульсов, направляемых в исследуемый объект, и регистрации времени их возвращения и амплитуды после возвращения от неоднородностей исследуемого объекта, Зная время, прошедшее от посылки импульса до его возвращения, и скорость распространения ультразвука в данной среде, можно определить расстояние до неоднородностей.

Метод ультразвуковой локации применяется для определения опухолей и отеков головного мозга (эхоэнцефалография), положения и размеров сердца (эхокардиография) и т.д.

 

Описание установки

Для изучения терапевтического действия ультразвуковых колебаний в лабораторной работе определяется скорость распространения УЗ в воде с применением аппарата УТП-1 (УТП-3), вырабатывающего УЗ-колебания частотой 880 кГц (2640 кГц), которые излучаются в исследуемый объект (раствор крахмала).

Распространение УЗ луча происходит по законам геометрической оптики. В данном случае падающая УЗ волна перпендикулярна границе раздела двух сред, следовательно и отраженная также перпендикулярна ей.

В результате интерференции двух встречных волн - прямой и обратной, отраженной от границы раздела сред, образуется стоячая волна, т.е. колебательный процесс, в котором определенные точки среды остаются все время в среднем положении (неподвижными), а точки, расположенные на участках между ними, совершают колебания того же периода и с удвоенной амплитудой по отношению к исходной волне. Неподвижные точки стоячей волны называются узлами, точки, совершающие колебания с максимальной амплитудой - пучностями. Положение их в среде со временем не меняется.

Расстояние l_ст между двумя соседними узлами или пучностями стоячей волны равняется половине длины lбегущей волны: l_ст=l/2 _.

В растворе крахмала узлам стоячей волны соответствуют белые полосы, а пучностям прозрачные (темные, если задняя стенка сосуда не проницаема для света).

Измерив расстояние L между n узлами (пучностями), начальное положение узла (пучности) считая нулевым и поскольку на этом расстоянии уложится n/2 длин волн найдем, что l= L / (n / 2) = 2L / n, тогда скорость УЗ в данной среде V = ln = 2L n / n, где n - частота ультразвуковых колебаний в Гц.

В настоящей работе биологическая ткань моделируется водой с частицами крахмала, налитой в стеклянную ванночку. Ванночка располагается на поверхности ультразвукового излучателя. Для уменьшения акустического сопротивления между излучателем и дном ванночки наносится слой вазелина. Пространственная структура стоячей ультразвуковой волны в жидкости наблюдается и измеряется микроскопом.

Принцип работы эхолокатора. Эхолокатор состоит из задающего генератора, пьезоэлектрического датчика, приемника-усилителя отраженных сигналов, индикатора, выполненного на электронно-лучевой трубке, блока развертки и синхронизатора.

Общая блок - схема прибора приведена на рис. 2.

Рис.2 Блок - схема эхолокатора

Задающий генератор формирует высокочастотный электрический сигнал посылки, который поступает на пьезодатчик. В датчике сигнал преобразуется в ультразвуковые колебания, которые излучаются в окружающую среду.

Отраженные от раздела двух сред, волны попадают на датчик, в котором производится обратное преобразование ультразвуковых колебаний в электрический сигнал. Отраженный сигнал в приемнике усиливается и поступает в индикатор (электронно-лучевую трубку -ЭЛТ).

Синхронизатор служит для одномоментного запуска развертки луча в ЭЛТ и посылки в исследуемую среду УЗ-волны.

Основной принцип эхолокатора заключается в том, что время, за которое электронный луч на экране ЭЛТ пройдет путь от начальной точки до прихода отраженного импульса равно времени прохождения ультразвуковой волны до раздела двух сред и обратно до пьезодатчика.

Зная время, прошедшее с момента посылки сигнала до его полного приема (t - пропорционально расстоянию l между метками излучения и приема УЗ-импульса на экране ЭЛТ), следовательно зная расстояние до поверхности раздела сред (L), можно найти скорость ультразвука в данной среде (V).

V =

 

Учебные задачи