Физические свойства ультразвука

Тема 9. Ультразвуковые методы исследования

Ультразвукомназывают механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГЦ. Верхний предел ультразвуковых частот условно считают равным 10⁹ - 10¹⁰ Гц.

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в них значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования ультразвука средней частоты и ультразвука высокой частоты относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только ультразвук низкой частоты.

Источником ультразвука могут быть как естественные явления, так и искусственные установки - генераторы ультразвука. Естественными источниками УЗ являются животные, издающие ультразвук (кузнечики, саранча, сверчки, летучие мыши, дельфины). Все эти животные воспроизводят ультразвук и воспринимают его специальными рецепторными аппаратами. Например, летучие мыши издают ультразвук с частотой 70-80 кГц. Издаваемые ими колебания отражаются от окружающих предметов и воспринимаются специальными механорецепторами как своеобразные сигналы о лежащих на пути препятствиях. С помощью своего ультразвукового локатора летучие мыши очень точно ориентируются в полете. Ультразвук воспринимают не только летучие мыши и некоторые насекомые, но и дельфины, киты, кошки, собаки, грызуны, лягушки. Источником ультразвука может быть и неживая природа: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе ракетных двигателей, некоторых двигателей и станков.

Основной метод излучения ультразвука – преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические.

Для излучения ультразвука средних частот и ультразвука высоких частот используется главным образом явление пьезоэлектричества. Основными пьезоэлектрическими материалами для излучателей ультразвука служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, различные пьезокерамические материалы. Пьезоэлектрические излучатели представляют собой пластинку или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение.

Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека. Собственно получение изображения можно разделить на две части. Первая – излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани, и второе – формирование изображения на основе отраженных сигналов. Понимание принципа работы ультразвуковой диагностической установки, знание основ физики ультразвука и его взаимодействия с тканями тела человека помогут избежать механического, бездумного использования прибора, и, следовательно, более грамотно подходить к процессу диагностики.

Звук – это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии.

Рис. 9.1. Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

 

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда – он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения – средой, а длина волны – и источником звука, и средой. Частота – это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду.

Рис.9.2. Частота ультразвуковой волны 2 цикла в 1 с = 2 Гц

Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц – это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Что же делает звук "ультра"? Это частота. Верхняя граница слышимого звука – 20000 Гц (20 килогерц (кГц) – является нижней границей ультразвукового диапазона. Ультразвуковые локаторы летучих мышей работают в диапазоне 25÷500 кГц. В современных ультразвуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше.

Период – это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний.

Рис. 9.3. Период ультразвуковой волны.

Единицами измерения периода являются секунда (с) и микросекунда (мкс). Одна микросекунда является одной миллионной долей секунды. Период (мкс) = 1/частота (МГц). Длина волны — это длина, которую занимает в пространстве одно колебание.

Единицы измерения — метр (м) и миллиметр (мм). Скорость распространения ультразвука — это скорость, с которой волна перемещается в среде. Единицами скорости распространения ультразвука являются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микросекунду (мм/мкс). Скорость распространения ультразвука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности срелы. В таблице 1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека.

Таблица 9.1. Скорость распространения ультразвука в мягких тканях
Ткань	Скорость распространения ультразвука в мм/мкс
Мозг	1,51
Печень	1,55
Почки	1,56
Мышцы	1,58
Жировая ткань	1,45
Кости	4,08
Кровь	1,57
Мягкие ткани (усреднение)	1,54
Вода (20°С)	1,48
Воздух	0,33

 

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с – на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов. Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением: С = f × λ. Так как в нашем случае скорость считается постоянной (1540 м/с), то оставшиеся две переменные f и λ связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объектов, которые мы можем увидеть. Еще одним важным параметром среды является акустическое сопротивление (Z). Акустическое сопротивление – это произведение значения плотности среды и скорости распространения ультразвука. Сопротивление (Z) = плотность (р) × скорость распространения (С).

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается датчиком (трансдьюсером) непрерывно (постоянной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. Частота повторения импульсов — это число импульсов, излучаемых в единицу времени (секунду). Частота повторения импульсов из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Продолжительность импульса — это временная протяженность одного импульса.

Рис. 9.4. Продолжительность ультразвукового импульса.

 

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мкс). Фактор занятости – это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импульсов) ультразвука. Пространственная протяженность импульса (ППИ) — это длина пространства, в котором размещается один ультразвуковой импульс.

Для мягких тканей пространственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1,54 (скорость распространения ультразвука в мм/мкс) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f. Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колебаний в импульсе или увеличения частоты. Амплитуда ультразвуковой волны — это максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения.

Рис. 9.5. Амплитуда ультразвуковой волны

 

Интенсивность ультразвука — это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см). При равной мощности излучения – чем меньше площадь потока, тем выше интенсивность. Интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ультразвука, во времени.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием. Единицей затухания является децибел (дБ). Коэффициент затухания — это ослабление ультразвукового сигнала на единицу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях и уменьшение интенсивности эхосигнала в зависимости от частоты представлены в таблице 9.2.

Таблица 9.2.
Частота, МГц	Усреднённый коэффициент затухания для мягких тканей, дБ/см	Уменьшение интенсивности по глубине
1 см (%)	10 см (%)
			90.0
			99.0
			99.9
			99.999
			–100
			–100