Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей. Применение ультразвуковых исследований в медицине

   * Ультразвук применяется  при обработке металлов и сплавов  в твердом состоянии, что приводит  к «разрыхлению» структуры и  к искусственному их старению.

   * УЗ при прессовании  металлических порошков обеспечивает  получение прессованных изделий  более высокой плотности и  стабильности размеров.

Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия  – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно  и без существенных затуханий, а  на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью  отражаться позволило применить  УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

При помощи УЗ можно проверять детали больших  размеров, так как глубина проникновения  УЗ в металле достигает 810 м. Кроме  того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6мм).

УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

Существует  несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых  являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Теневой метод  основан на ослаблении проходящих УЗ-вых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-вую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 5). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 1520%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект..

Импульсный  метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на рис. 6. Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса.

Импульсный  метод позволяет исследовать  изделия при одностороннем доступе  к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект.

Ультразвук в радиоэлектронике

В радиоэлектронике часто  возникает необходимость задержать  один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли  ученые, предложив ультразвуковые линии  задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов  в импульсы УЗ-вых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний.  После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.

Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные  и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного  преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей.

Входной преобразователь  состоит из катушки, по которой протекает  ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания УЗ-вой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.

Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются УЗ-вые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.

Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих  концах звукопровода.

Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан  на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим  стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания УЗ-вой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, УЗ-вые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения УЗ и электромагнитных сигналов на определенном участке.

Ультразвук в медицине

Применение УЗ для активного  воздействия на живой организм в  медицине основывается на эффектах, возникающих  в биологических тканях при прохождении  через них УЗ-вых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ – локальное нагревание их. Одновременно под действием УЗ происходят физико-химические превращения в биологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не вызывают необратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют жизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в УЗ-вой терапии (интенсивность УЗ до 1 Вт/см2). При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в УЗ-вой хирургии. Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см2). В хирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы  и т.п. Наложение УЗ-вых колебаний на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований.

Воздействие мощного УЗ на биологические ткани  применяется для разрушения микроорганизмов  в процессах стерилизации медицинских  инструментов и лекарственных веществ.

УЗ нашел  применение в зубоврачебной практике для снятия зубного камня. Он позволяет  безболезненно, бескровно, быстро удалять  зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая  полость рта и обеззараживаются «карманы» полости, а пациент  вместо боли испытывает ощущение теплоты.

Области применения эхо-импульсных методов

Эхо-импульсные методы в настоящее время стали широко применятся во многих областях медицины.

                                      АКУШЕРСТВО

Акушерство – та область  медицины, где эхо-импульсивные ультразвуковые методы наиболее прочно укоренились как составная часть медицинской практики. Рассматриваемые здесь четыре основных задачи иллюстрируют ценность многих полезных свойств ультразвуковых методов.

   * Надежное определение  положения плаценты – задача  первостепенной важности в акушерской  практике. С развитием техники,  обеспечивающее высокое расширение  по контрасту, эта процедура  стала уже рутинной. Приборы, работающие  в реальном времени, эргономически более выгодны, так как позволяют определять положения плаценты быстрее, чем статические сканеры.

   * Второй вид процедур, ставших уже привычными, - оценка  развития плода по измерению  одного или более его размеров, таких как диаметр головки,  окружность головки, площадь грудной  клетки или живота. Так как  даже очень малые изменения  этих размеров могут иметь  диагностическое значение, эти методы  требуют высокой  точности  самой аппаратуры и методик  ее применения.

   * Третий вид процедур, появившийся не так давно и  не столь еще укоренившийся  в практике, - раннее обнаружение  аномалий плода. Это приложение  требует особенно хорошего пространственного  разрешения и разрешения по  контрасту, предпочтительно в  сочетании с режимом реального  времени и быстрым сканированием.  Хорошие методики и качественная  аппаратура позволяют обнаруживать  такие дефекты, как недоразвитие (гибель) яйца, анэнцефалия (полное  или почти полное отсутствие  мозга), гидроцефалия (избыток жидкости  в мозге, наблюдаемый в виде  уширения желудочков), спинальные (позвоночные)  дефекты, зачастую необнаружимые биохимическими методами, и дефекты желудочно-кишечного тракта. Вспомогательную, но очень важную роль играет ультразвук в процедуре амниоцентеза (пункции плодного пузыря) – взятии околоплодных вод для цитологических исследований и выявления возможных генетических нарушений. Ввод иглы при амниоцентезе под контролем ультразвуковой визуализации, обеспечивает значительно большую безопасность этой процедуры.

   * Наконец, необходимо  отметить ультразвуковое исследование  движения плода. Это явление  лишь недавно стало предметом  подробного исследования.  Сейчас  происходит накопление большого  количества информации как по  движению конечностей плода и  псевдодыханию, так и по динамике сердца и сосудов. Здесь основной интерес представляет исследования физиологии и развития плода; до обнаружения аномалий плода пока еще далеко.

                                     ОФТАЛЬМОЛОГИЯ 

   Может быть, из-за  относительно малых размеров  глаза офтальмология несколько  выделилась из прочих областей  применения ультразвука.

   Ультразвук особенно  удобен для точного определения  размеров глаза, а также для  исследования патологии и аномалий  структур глаза в случае их  непрозрачности и, следовательно,  недоступности для обычного оптического  исследования. Здесь также важна  точность работы и калибровки  аппаратуры, необходимо также уделить  особое внимание эффектам, связанным   с преломлением ультразвука в  хрусталике и роговице.

   Область позади  глаза – орбита – доступна  ультразвуковому обследованию через  глаз, поэтому ультразвук вместе  с компьютерной томографией стал  одним из основных методов  неинвазивного исследования патологий этой области. Структуры орбиты имеют малые размеры и требуют хорошего пространственного разрешения и разрешения по контрасту, что достижимо на высоких частотах. Практические сложности могут возникать, однако, если пытаться использовать аппаратуру, характеристики которой заимствованы из телевизионной техники, а полоса пропускания соответственно ограничена.

                       ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ

   Под таким заголовком  можно рассмотреть множество  разнообразных задач, в основном  связанных с исследованием брюшной  полости, где ультразвук используется  для обнаружения и распознавания  аномалий анатомических структур  и тканей. Зачастую задача такова: есть подозрение на злокачественное  образование и необходимо отличить  его от доброкачественных или  инфекционных по своей природе  образований.

    При исследовании  печени кроме важной задачи  обнаружения вторичных злокачественных  образований ультразвук полезен  для решения других задач, включая  обнаружение заболеваний и непроходимости  желчных протоков, исследования  желчного пузыря с целью обнаружения  камней и других патологий,  исследование цирроза и других  доброкачественных диффузных заболеваний  печени, а также паразитарных  заболеваний, таких как шистосоматоз. Почки –  еще один орган,  в котором необходимо исследовать  различные злокачественные и  доброкачественные состояния (включая  жизнеспособность после трансплантации) с помощью ультразвука. Гинекологические  исследования, в том числе исследования  матки и яичников, в течение  долгого времени являются главным  направлением успешного применения  ультразвука. Здесь зачастую также  необходима дифференциация злокачественных  и доброкачественных образований,  что обычно требует наилучшего  пространственного и контрастного  разрешения. Аналогичные заключения  применимы и к исследованию  многих других внутренних органов  и областей. Возрастает интерес  к применению ультразвуковых  эндоскопических зондов. Эти устройства, которые можно вводить в естественные  полости тела при обследовании  или применять при хирургическом  вмешательстве, позволяют улучшить  качество изображения из-за более  высокой рабочей частоты и/или  отсутствия на пути ультразвука  таких неблагоприятных акустических  сред, как газ или кость.

              ПРИПОВЕРХНОСНЫЕ И НАРУЖНЫЕ ОРГАНЫ 

   Щитовидная и молочная  железы, хотя и легко доступны  ультразвуковому обследованию, часто  требуют использования водяного  и ионного буфера, чтобы на  изображение не повлияли аномалии  ближней зоны поля. При исследовании  щитовидной и паращитовидной  железе основное применение ультразвука  – различение кистозных и твердых  образований, что возможно при  хорошем подавлении шума и  артефактов, вызванных реверберацией   и боковыми лепестками излучения.