Физика ультразвука в медицине. Физика ультразвука и его применение в медицине: принципы, методы, эффекты — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое ультразвук и как он применяется в медицине. Какие физические принципы лежат в основе ультразвуковой диагностики. Как работают ультразвуковые аппараты. Какие эффекты оказывает ультразвук на организм человека. Какие методы ультразвуковой диагностики существуют.

Содержание

Что такое ультразвук и его физические свойства

Ультразвук представляет собой механические колебания частиц среды с частотой свыше 20 кГц, то есть выше порога слышимости человеческого уха. В медицине обычно используются ультразвуковые волны частотой от 800 кГц до 15 МГц.

Основные физические характеристики ультразвуковых волн:

Частота колебаний (f) — число полных колебаний в секунду, измеряется в герцах (Гц)
Длина волны (λ) — расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами волны
Скорость распространения (c) — скорость перемещения волнового фронта в среде
Интенсивность (I) — количество энергии, переносимой волной через единичную площадку за единицу времени

Между этими характеристиками существует взаимосвязь:

c = f × λ

То есть, чем выше частота ультразвука, тем меньше длина волны при постоянной скорости распространения в среде.

Принципы генерации и детектирования ультразвука

Для генерации и регистрации ультразвуковых волн используются пьезоэлектрические преобразователи, работа которых основана на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте:

Прямой пьезоэффект — возникновение электрического заряда на поверхности кристалла при его деформации
Обратный пьезоэффект — деформация кристалла под действием приложенного электрического поля

При подаче переменного напряжения на пьезоэлемент он начинает колебаться с частотой этого напряжения, излучая ультразвуковые волны. При приеме отраженных волн пьезоэлемент деформируется и генерирует электрический сигнал.

Взаимодействие ультразвука с биологическими тканями

При распространении ультразвука в биологических тканях происходят следующие основные процессы:

Отражение — на границе сред с разным акустическим сопротивлением
Преломление — изменение направления распространения волны на границе сред
Рассеяние — на неоднородностях, размер которых меньше длины волны
Поглощение — превращение энергии ультразвука в тепловую энергию

Степень отражения ультразвука зависит от разницы акустических сопротивлений сред. Чем больше эта разница, тем сильнее отражение. Наибольшее отражение происходит на границе мягкие ткани — кость и мягкие ткани — газ.

Принципы формирования ультразвукового изображения

Формирование ультразвукового изображения основано на регистрации отраженных эхо-сигналов и определении их параметров:

Амплитуда эхо-сигнала определяет яркость точки на экране
Время прихода эхо-сигнала определяет глубину расположения отражателя
Положение датчика на поверхности тела определяет координаты точки на экране

Существует несколько режимов формирования изображения:

А-режим — одномерное представление амплитуды эхо-сигналов
В-режим — двумерное серошкальное изображение
М-режим — одномерное изображение движущихся структур во времени

Основные методы ультразвуковой диагностики

В современной медицине применяются следующие основные методы ультразвуковой диагностики:

1. Двумерная эхография (В-режим)

Метод получения двумерного томографического изображения исследуемой области в режиме реального времени. Позволяет оценить размеры, форму, структуру органов и тканей.

2. Допплерография

Метод исследования кровотока, основанный на эффекте Допплера. Позволяет определить скорость и направление движения крови в сосудах. Различают: — Цветовое допплеровское картирование — Энергетический допплер — Импульсно-волновой допплер — Постоянно-волновой допплер

3. Эластография

Метод оценки жесткости тканей путем анализа их деформации под действием внешней компрессии или акустического импульса. Позволяет выявлять патологические изменения на ранних стадиях.

4. Контрастное усиление

Метод повышения информативности ультразвукового исследования за счет внутривенного введения контрастных препаратов на основе микропузырьков газа. Позволяет оценивать микроциркуляцию в органах и тканях.

Терапевтическое применение ультразвука в медицине

Помимо диагностических целей, ультразвук находит широкое применение в терапии. Основные направления терапевтического использования ультразвука:

Ультразвуковая физиотерапия — лечебное воздействие ультразвуком низкой интенсивности
Ультразвуковая хирургия — разрушение патологических тканей фокусированным ультразвуком высокой интенсивности
Ультразвуковая липосакция — разрушение жировой ткани
Ультрафонофорез — введение лекарственных веществ через кожу с помощью ультразвука
Литотрипсия — дробление камней в почках и желчном пузыре

Биологические эффекты ультразвука

При воздействии на биологические ткани ультразвук вызывает следующие основные эффекты:

Механический — микромассаж тканей на клеточном уровне
Тепловой — повышение температуры тканей за счет поглощения энергии
Физико-химический — ускорение диффузии, изменение pH среды, образование свободных радикалов
Кавитационный — образование и схлопывание микропузырьков газа в жидких средах

Выраженность этих эффектов зависит от параметров ультразвукового воздействия — частоты, интенсивности, длительности. При диагностическом применении ультразвука биологические эффекты минимальны и не вызывают повреждения тканей.

Преимущества и ограничения ультразвуковой диагностики

Ультразвуковая диагностика имеет ряд важных преимуществ:

Неинвазивность и безболезненность исследования

Отсутствие лучевой нагрузки
Возможность многократного повторения
Исследование в режиме реального времени
Высокая информативность при исследовании мягких тканей
Относительно низкая стоимость оборудования и исследований

Основные ограничения метода:

Сложность визуализации органов, содержащих газ (легкие, кишечник)
Невозможность исследования костных структур
Зависимость качества изображения от навыков оператора
Ограниченная глубина проникновения ультразвука

Перспективы развития ультразвуковой диагностики

Основные направления совершенствования ультразвуковых технологий:

Повышение разрешающей способности и качества изображения
Развитие методов 3D и 4D визуализации
Совершенствование технологий эластографии
Разработка новых контрастных препаратов
Создание портативных ультразвуковых сканеров

Внедрение технологий искусственного интеллекта для анализа изображений

Таким образом, ультразвуковая диагностика продолжает активно развиваться и остается одним из ключевых методов медицинской визуализации.

Физические основы применения ультразвуковых волн в медицине Ультразвуковая диагностика. Хирургическое и терапевтическое применение ультразвука.

Медико-биологическое применение УЗ можно разделить на два направления: методы воздействия (низкочастотный и среднечастотный ультразвук) и методы диагностики (высокочастотный ультразвук) и исследования.

Низкочастотный и среднечастотный ультразвук используют в медицине для различных целей.

В фармакологии:

С помощью ультразвука можно размельчать и диспергировать среды, что применяется, например, при изготовлении коллоидных растворов, высокодисперсных лекарственных эмульсий (например, эмульсии камфорного масла, аэрозолей). В зависимости от условий воздействия и свойств среды ультразвук может способствовать и обратным процессам, например, осаждению суспензий, коагуляции аэрозолей, очистке газов от загрязняющих их примесей и др.

Ультразвук ускоряет некоторые химические реакции, особенно процессы окисления за счет реакционно-способных радикалов Н, ОНи др, что может быть использовано при получении химических соединений.

Кавитационный ультразвук используется для разрушения оболочек растительных или животных клеток и извлечения из них различных биологически активных веществ — ферментов, токсинов, витаминов и др.

В хирургии:

Ультразвук низкой частоты и высокой мощности используют в хирургии для разрушения злокачественных опухолей, дробления камней в мочевом пузыре, распиливания костей, сварки костной ткани, резки тканей и т.п.

В терапии:

На организм при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора: механический, физический (тепловой) и химический.

Механический фактор, обусловленный переменным акустическим давлением, проявляется в вибрационном «микромассаже» тканей на клеточном и субклеточных уровнях. Ультразвук повышает проницаемость клеточных мембран, изменяет микроциркуляцию и коллагеновую структуру тканей, функциональную активность клеток, вызывает акустические микропотоки в протоплазме, что сопровождается стимуляцией функций клеток и клеточных включений.

Химическийфактор непосредственно связан сфизическимфактором (трансформацией поглощенной энергии ультразвуковой волны в другие виды энергии – тепло и энергию химических реакций). В настоящее время в терапии тепловому эффекту ультразвука придается второстепенная роль. Ультразвук низкой частоты и высокой мощности вызывает образование свободных радикалов и разрушение биологических молекул.

Терапевтическое действие низкочастотного ультразвука основано на комплексном действии механических, тепловых и химическихфакторов.

Ультразвук этого диапазона малой мощности используется для лечения гнойно-септических заболеваний, для обработки инфицированных ран, благодаря губительному действия ультразвука на многие микроорганизмы. Наиболее чувствительными к действию низкочастотного ультразвука, по мнению большинства исследователей, являются негемолитический стрептококк, вульгарный протей, неклостридиальная анаэробная микрофлора, кишечная палочка, эхинококк, более устойчивыми к озвучиванию считаются золотистый вирулентный стафилококк и синегнойная палочка. Наряду с собственным бактерицидным эффектом низкочастотный ультразвук сенсибилизирует действие многих антибиотиков и антисептиков (диоксидин, фурацилин, пероксид водорода, тетрациклин, линкомицин, ампицилин и др.).

При незначительных мощностях ультразвук повышает проницаемость клеточных мембран (используется в методе ультрафонофореза лекарственных веществ), активизирует процессы тканевого обмена, стимулирует внутриклеточный биосинтез и регенераторные процессы и т.д. Усиление репарационных процессов в тканях при действии низкочастотного ультразвука малой мощности связано с активным влиянием фактора на кровообращение. Ультразвук вызывает расширение кровеносных сосудов, в 2-3 раза увеличивает региональный кровоток.

Низкочастотному ультразвуку малой мощности характерны противовоспалительное действие и иммуностимулирующий эффект.

Все эти эффекты низкочастотного ультразвука малой мощности и обусловливают использование его для терапевтических целей. Ультразвук используют при лечении больных язвенной болезнью желудка и двенадцатиперстной кишки, бронхиальной астмой, хроническим тонзиллитом, деформирующим остеоартрозом, пяточной шпорой, псевдоэрозией шейки матки, трофических язв и т. п.

Ультразвук высокой частотыприменяется с диагностическими целями. Разница в степени поглощения ультразвука различными тканями может быть использована для выяснения формы и локализации труднодоступных внутренних органов или патологических образований, например, опухолей в ткани головного мозга. При этом соответствующая область тела последовательно по участкам «просвечивается» ультразвуком. Интенсивность прошедшего через ткани ультразвукового луча регистрируется находящимся с другой стороны приемником. Ультразвуковая томография позволяет получать изображения органов в различных сечениях. В данном методе ультразвуковой преобразователь состоит из ряда расположенных в линию излучателей – приемников ультразвуковых волн, включающихся поочередно с высокой частотой чередования. Таким образом, ультразвуковой луч перемещается вдоль линии в определенном сечении исследуемого объекта. Ультразвуковые лучи отражаются от границ раздела структур организма, доходят до приемника, где преобразуются в электрические сигналы. Электрические сигналы поступают на усилитель яркости электронного луча монитора. На экране монитора наблюдается изображение границ органа в данном сечении. Для получения изображения другого участка органа ультразвуковой преобразователь передвигается вручную.

Рис. 3. Схема метода ультразвуковой томографии.

Методами УЗ диагностики являются эхоэнцефалография, УЗ кардиография (измерение размеров сердца в динамике), ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред (в офтальмологии). Одним из перспективных методов ультразвуковой диагностики является исследование гемодинамики, основанное на эффекте Доплера.

Ультразвуковой метод определения скорости кровотока.

На рисунке 5. приведена схема измерения скорости кровотока на основе эффекта Доплера.

От генератора 1электрических колебаний УЗ-частоты сигнал поступает на УЗ излучатель2и на устройство сравнения частот3. Ультразвуковая волна4проникает в кровеносный сосуд5и отражается от движущихся эритроцитов6. Отраженная ультразвуковая волна7 попадает в приемник8, где преобразуется в электрическое колебание и усиливается.9– Мягкие ткани, в глубине которых расположен сосуд.

Рис. 5.. Схема установки измерения скорости кровотока на основе эффекта Доплера.

Усиленное электрическое колебание попадает в устройство 3. Здесь колебания, соответствующие падающей и отраженной волнам, сравниваются, и выделяется доплеровский сдвиг частоты в виде электрического колебания:

U=U₀cos (2_дt). (4)

Из формулы можно определить скорость эритроцитов:

, (5)

В крупных сосудах скорость эритроцитов различна в зависимости от их расположения относительно оси: «приосевые» эритроциты движутся с большей скоростью, а «пристеночные» — с меньшей. Ультразвуковая волна отражается от разных эритроцитов, следовательно, доплеровкий сдвиг представляет собой интервал частот. Поэтому этот метод позволяет определять не только среднюю скорость кровотока, но и скорость движения различных слоев крови. В диагностическом плане появилась возможность оценки значений и направлений движения нормальных и патологических потоков крови. Можно выделить потоки с ламинарным и турбулентным движениями. В эхоскопии эти задачи решаются в рамках ультразвуковой доплерографии. В современных ультразвуковых сканерах заложена возможность звукового и цветового кодирования различных скоростных составляющих кровотока. Метод, основанный на цветовом выделении зон патологического и нормального движения крови из общего черно-белого изображения, получил названиецветового доплеровского картирования кровотока. Для повышения чувствительности этих двух методов при исследовании мелких сосудов используютэхоконтрастные вещества.Большинство этих веществ представляет собой суспензии, содержащие микропузырьки газа, усиливающие отраженный доплеровский сигнал (СО₂, препараты с пузырьками газа, содержащие стабилизаторы, такие как альбумин, тканеспецифичные вещества). Контрастные вещества широко используются для более точного определения области роста опухоли.

Медицинская физика — Ультразвук и его применение в медицине

« Предыдущий вопрос

Физика слуха

Слуховая система связывает непосредственный приемник звуковой волны с головным мозгом.

Загрузка

СкачатьПолучить на телефон

например +79131234567

txt fb2 ePub html

на телефон придет ссылка на файл выбранного формата

Что это

Шпаргалки на телефон — незаменимая вещь при сдаче экзаменов, подготовке к контрольным работам и т. д. Благодаря нашему сервису вы получаете возможность скачать на телефон шпаргалки по медицинской физике. Все шпаргалки представлены в популярных форматах fb2, txt, ePub , html, а также существует версия java шпаргалки в виде удобного приложения для мобильного телефона, которые можно скачать за символическую плату. Достаточно скачать шпаргалки по медицинской физике — и никакой экзамен вам не страшен!

Сообщество

Не нашли что искали?

Если вам нужен индивидуальный подбор или работа на заказа — воспользуйтесь этой формой.

Следующий вопрос »

Гидродинамика

Гидродинамика – раздел физики, в котором изучают вопросы движения несжимаемых жидкостей и взаи

Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.

В организме ультразвук частотой 800—1000 кГц распространяется на глубину 8—10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.

Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

Медицинская физика — Ультразвук

Волновые свойства ультразвука

[Изображение предоставлено: Jacaranda Physics 1 2nd Edition © John Wiley & Sons, Inc.]

Ультразвук использует высокочастотные звуки для визуализации тела и диагностики пациентов. Таким образом, ультразвук представляет собой продольные волны, которые заставляют частицы колебаться вперед и назад и производят серия сжатий и разрежений.

Используя следующую формулу, можно вычислить скорость, частота или длина волны волны, если известны два других значения:

v = fλ

Где:

Скорость (v) — это скорость волны. Измеряется в мс ^-1 .
Частота (f) — это количество колебаний частицы в секунду. Измеряется в Гц.
Длина волны (λ) — это расстояние между двумя сжатиями или разрежениями. Измеряется в м.

Амплитуда — это расстояние, на которое частица перемещается вперед или назад.

Сжатия — это области волны, где частицы находятся близко друг к другу и существует высокое давление. Разрежения — это участки волны, где частицы находятся далеко друг от друга и давление низкое.

Частоты, используемые в ультразвуковой диагностике

Ультразвук использует звуки высокой частоты, которые выше, чем может слышать человеческое ухо. т.е. 20 000 Гц. Ультразвук не может обнаруживать объекты, меньшие, чем его длина волны, и, следовательно, более высокие частоты. УЗИ дает лучшее разрешение. С другой стороны, более высокие частоты ультразвука имеют короткие длины волн и легко поглощаются. поэтому не такие проницательные. По этой причине высокие частоты используются для сканирования участков тела, близких к поверхности, а низкие частоты используются для областей, которые находятся глубже в теле. Эти частоты обычно находятся в диапазоне от 1 до 50 МГц.

Как производят и обнаруживают ультразвук

]

Ультразвук производится и регистрируется с помощью ультразвукового датчика. Ультразвуковые преобразователи способны посылать ультразвук, а затем тот же преобразователь может обнаруживать звук и преобразовать его в электрический сигнал для диагностики.

Чтобы произвести УЗИ, к пьезоэлектрическому кристаллу приложен переменный ток. Пьезоэлектрический кристалл растет и сжимается в зависимости от проходящего через него напряжения. Пропуская через него переменный ток, он заставляет его вибрировать с высокой скоростью и производить ультразвук. Это преобразование электрической энергии в механическую известно как пьезоэлектрический эффект. Затем звук отражается от исследуемого объекта. Звук попадает на пьезоэлектрический кристалл, а затем имеет обратный эффект. — заставляя механическую энергию, производимую звуком, вибрирующим кристалл, преобразовывать в электроэнергия. Измеряя время между отправкой и получением звука, амплитуда звука и высота звука, компьютер может создавать изображения, рассчитать глубину и рассчитать скорость.

Характер А-сканирования, В-сканирования, секторного сканирования и фазового сканирования

А-сканы А-сканы можно использовать для измерения расстояний. Преобразователь излучает ультразвуковой импульс и время, необходимое для того, чтобы импульс отразился от объекта и вернуться на графике, чтобы определить, как далеко находится объект. А-сканы дают только одномерную информацию и поэтому бесполезны для визуализации.
B-сканы B-сканирование можно использовать для получения изображения поперечного сечения тела. Датчик перемещается по площади, и время, необходимое для возвращения импульсов, используется для определения расстояния, которые нанесены на изображение в виде набора точек. B-сканы дадут двумерную информацию о поперечном сечении.
Сканирование секторов Секторное сканирование можно использовать для получения секторного изображения тела. Преобразователь перемещается взад и вперед по площади, создание серии B-сканов, которые создают изображение. Сканирование секторов выполнить гораздо сложнее, чем фазовое сканирование, и оно встречается гораздо реже. Однако, они полезны для съемки изображений в условиях ограниченного пространства.
Фазовые сканирования При фазовом сканировании в одном датчике используются сотни преобразователей для получения высокого разрешения. сканирование в режиме реального времени. Угол фронта волны можно изменить, включив датчики один за другим. когда это происходит, они не совпадают по фазе. Изменяя угол фронта волны, трехмерное изображение может быть построено на большой площади.

Примеры изображений, полученных с помощью ультразвуковой технологии

[Изображение предоставлено Philips Medical/Ultrasound & Monitoring Systems, копия Philips]

Это изображение некоторых тканей демонстрирует, как УЗИ может визуализировать кровоток с помощью допплеровского сканирования. эффект.

[Изображение предоставлено Philips Medical/Ultrasound & Monitoring Systems, копия Philips]

Это изображение, полученное из левого желудочка сердца.

Физика ультразвуковой визуализации | Veterian Key

Chapter • 3

William Tod Drost

Ультразвуковое исследование является широко используемым и незаменимым методом диагностической визуализации. Это сильно зависящее от пользователя взаимодействие между сонографистом, пациентом и аппаратом. Понимание физики ультразвука важно, потому что оно помогает объяснить некоторые ограничения модальности и возникающие артефакты. Это единственный метод диагностической визуализации, в котором не используется электромагнитное излучение. В этой главе обсуждаются физические принципы ультразвуковых волн, взаимодействие ультразвуковых волн с веществом, датчики, доплеровские методы и ультразвуковые артефакты.

Звук распространяется волнами и переносит информацию из одного места в другое. Он передает энергию чередованием областей низкого давления (разрежения) и высокого давления (сжатия). ^1-4 В отличие от света и радиоволн, звуковым волнам для распространения требуется среда. ⁵ Частота, длина волны и скорость — параметры, используемые для описания звуковых волн; эти термины также используются в отношении электромагнитного излучения (см. главу 1).

Частота — это количество повторений волны в секунду. Одна волна или цикл возникает, когда давление начинается с нормального значения, увеличивается до высокого значения, снижается (переходя нормальное значение) до низкого значения, а затем возвращается к нормальному значению (рис. 3-1). Цикл также можно определить как комбинацию сжатия и последовательного разрежения. ¹ Частота выражается в герцах (Гц), где 1 Гц соответствует одному циклу в секунду. В диагностическом ультразвуке частоты обычно находятся в диапазоне от 2 мегагерц (МГц) до 15 МГц (1 МГц = 1 000 000 Гц). Слышимый диапазон звуковых частот для человека составляет от 20 Гц до 20 000 Гц; звук с частотой менее 20 Гц – это инфразвук, а звук с частотой более 20 000 Гц (0,02 МГц) – ультразвук. ^1,4,4

Рис. 3-1 Ультразвуковая волна в виде синусоиды ( top ) и серии сжатий и разрежений ( нижний ) . Одна длина волны (l) — это расстояние между двумя последовательными пиками или впадинами синусоидальной волны или между двумя последовательными событиями сжатия или разрежения.

Длина волны — это расстояние, которое проходит звуковая волна за один цикл. В УЗИ длина волны выражается в миллиметрах (мм). Длина волны важна для разрешения изображения и обсуждается позже.

Скорость – это скорость, с которой звук распространяется через акустическую среду; определяется физической плотностью (массой единицы объема) и жесткостью (твердостью) передающей среды. ^1,2 Скорость звука в некоторых часто встречающихся тканях указана в таблице 3-1. Если физическая плотность остается постоянной, скорость увеличивается по мере увеличения жесткости. Если жесткость остается постоянной, скорость уменьшается по мере увеличения физической плотности. Как правило, скорость больше всего в твердых телах, меньше в жидкостях и меньше всего в газах. В твердых телах молекулы расположены ближе друг к другу, поэтому звуковые волны передаются быстрее; в газах молекулы находятся далеко друг от друга, и звуковые волны распространяются медленнее. С медицинской точки зрения звуковые волны быстрее всего распространяются в костях и медленнее всего в заполненных газом легких. Скорость связана с частотой и длиной волны звуковой волны следующим уравнением:

Table • 3-1

Velocity of Sound in Commonly Encountered Tissues ²

TISSUE	VELOCITY (MM/µS)
Air	0. 331
Fat	1.450
Water (50° C)	1.540
Soft tissue	1.540
Brain	1.541
Liver	1.549
Kidney	1.561
Blood	1,570
Мышца	1,585
Хрусталик 9005 9 05405 ^9 0057
кость (череп)	4,080

ВЫСОВАНИЯ (ММ/мкс) = частота (МГц) × Длина волны (мм) (eq 1)

7777777 (EQ 1) (EQ 100077777777777777777777777777777777777.. скорость, частота и длина волны находятся в обратной зависимости, так что с увеличением частоты длина волны уменьшается, и наоборот. В мягких тканях средняя скорость звука составляет 1,54 мм/мкс (1540 м/с). ^1-5 Скорость звука в мягких тканях важна, потому что ультразвуковые аппараты используют эту постоянную скорость для всех расчетов.

Принцип формирования эхосигналов важен, поскольку эхосигналы содержат диагностическую информацию об визуализируемых структурах. Должны учитываться поверхность раздела, вызывающая отражение эха, и угол, под которым звуковая волна достигает отражателя, или угол падения.

Акустический импеданс ткани представляет собой произведение физической плотности ткани и скорости звука в ткани. ^1,4

Акустическое сопротивление (Z) = скорость (υ) × плотность ткани (p) (уравнение 2)

(уравнение 2)

Изменения акустического импеданса от одной ткани к другой определяют, какая часть звуковой волны отражается и какая часть передается во вторую ткань. Амплитуда возвращающегося эха пропорциональна разнице в акустическом импедансе. Если две ткани не имеют разницы в акустическом импедансе, эхо не создается. Если между двумя тканями существует большая разница в акустическом импедансе, то почти весь звук отражается эхом. ^1,2 Следующие формулы используются для расчета процента отраженной и переданной звуковой волны: ^1,3,3

%отражено=(Z2−Z1)/(Z2+Z1)×100 (уравнение 3)

(уравнение 3)

%пропущено=100−%отражено (уравнение 4)

(уравнение 4)

— акустический импеданс первой ткани. Приблизительный акустический импеданс тканей, с которыми обычно сталкиваются, указан в таблице 3-2, а процент звука, отраженного от различных границ раздела тканей, указан в таблице 3-3. Судя по значениям в таблице 3-2, наибольшая разница в акустическом импедансе возникает на границах раздела с костью и газом. Почти весь звук отражается на границах мягких тканей/газа и мягких тканей/костей. Таким образом, эти границы практически не пересекаются звуком. Следовательно, скорость звука в костях и заполненных газом легких не имеет клинического значения. Это почти полное отражение звука создает акустическую пустоту, или тень , глубоко к поверхности ткани. Без размещения акустического контактного геля между пациентом и датчиком граница раздела мягких тканей и газа, создаваемая газом, захваченным между кожей и датчиком, препятствовала бы визуализации из-за отражения всего встречного звука.

Таблица • 3-2

Приблизительный акустический импеданс в обычно встречающихся тканях ²

Ткани
5559
5559
50028	ACOUSTIC IMPEDANCE (IN RAYLS)
Air	0.0004
Fat	1.38
Water (50° C)	1. 54
Brain	1.58
Blood	1.61
Kidney	1.62
Liver	1.65
Muscle	1.70
Lens of eye	1.84
Bone (skull)	7.80

Таблица • 3-3

Процент звука, отраженного от интерфейсов ⁵

8

0160

BOUNDARY
REFLECTED (%)

Soft tissue/gas
99

Bone/fat
49

Fat /muscle
1.08

Fat/kidney
0.

6

Soft tissue/water
0.2

Угол падения – это угол, под которым звуковая волна сталкивается со средой. Если угол падения перпендикулярен (90 градусов) к отражателю, отраженная часть звуковой волны проходит на 180 градусов, противоположную направлению исходной звуковой волны, а прошедшая часть звуковой волны продолжается в том же направлении, что и исходная. начальная звуковая волна (рис. 3-2, A ). Если угол падения не перпендикулярен, то угол отражения равен углу падения (рис. 3-2, 9).0136 В ). Если звуковая волна попадает на отражатель более чем на 3 градуса от перпендикуляра, то отраженный звук, скорее всего, не достигнет преобразователя. ² Угол распространения неперпендикулярной звуковой волны зависит от относительного акустического сопротивления двух сред. Любая звуковая волна, которая не отражается к преобразователю, не будет записана. Ключевым фактом является то, что количество отраженного и переданного звука зависит от разницы в акустическом импедансе двух сред.

Рис. 3-2 Угол падения — это угол, под которым звуковая волна сталкивается со средой. Если угол падения перпендикулярен отражателю (A) , отраженная часть звуковой волны распространяется на 180 градусов, противоположную направлению исходной звуковой волны, а прошедшая часть звуковой волны продолжается в том же направлении, что и начальная звуковая волна. Если угол падения не перпендикулярен (B) , то угол отражения равен углу падения; угол пропускания зависит от разницы в акустическом импедансе средний 1 по сравнению с средний 2.

Ультразвуковой луч затухает или теряет мощность при прохождении через среду. Величина затухания определяется пройденным расстоянием и частотой звуковой волны. Величина затухания составляет примерно 0,5 децибел (дБ)/см на МГц на двустороннем расстоянии. ⁴ Если отражатель находится на расстоянии 3 см от преобразователя, расстояние прохождения туда и обратно составляет 6 см, а затухание звукового луча составляет 3 дБ/МГц. Высокочастотные звуковые волны ослабляются больше, чем низкочастотные звуковые волны. Затухание звуковой волны включает в себя три компонента: поглощение, отражение и рассеяние. ^1–3

Поглощение – это преобразование механической энергии звуковых волн в тепло. ^1,3 Поглощение является доминирующим компонентом затухания звука в мягких тканях. ^1,3 Преобразование звуковых волн в тепло происходит в основном за счет сил трения. ^3,4 У диагностических ультразвуковых аппаратов относительное количество поглощаемого звука довольно низкое, а изменение температуры незначительное и незаметное.

Отражение звукового луча способствует затуханию. Когда звуковая волна сталкивается с поверхностями тканей с разным акустическим импедансом, возникает отражение. Только отражения, которые возвращаются к преобразователю, используются для формирования изображения. Сканирование структур под разными углами может повысить качество изображения, если на преобразователь возвращается больше эхо-сигналов с разных углов.