Свойства ультразвука физика. Ультразвук в физике: свойства, применение и принципы работы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое ультразвук и каковы его основные физические свойства. Как ультразвук применяется в медицине и промышленности. Какие принципы лежат в основе работы ультразвуковых приборов. Как формируется ультразвуковое изображение.

Содержание

Физические свойства ультразвука

Ультразвук представляет собой звуковые колебания с частотой выше 20 кГц, которые не воспринимаются человеческим ухом. Каковы основные физические характеристики ультразвуковых волн?

Частота — от 20 кГц до 1 ГГц и выше
Длина волны — от нескольких сантиметров до долей микрона
Скорость распространения — зависит от среды, в мягких тканях около 1540 м/с
Интенсивность — до нескольких сотен Вт/см²

Важной особенностью ультразвука является его способность распространяться направленным пучком с малым рассеиванием энергии. При прохождении через вещество ультразвук испытывает поглощение, отражение и преломление на границах сред.

Источники и приемники ультразвука

Как генерируются и регистрируются ультразвуковые колебания? Основными источниками ультразвука являются:

Пьезоэлектрические преобразователи
Магнитострикционные преобразователи
Электромагнитные преобразователи
Механические источники (сирены, свистки)

Для приема ультразвука используются те же типы преобразователей, работающие в обратном режиме. Наиболее распространены пьезоэлектрические датчики, преобразующие механические колебания в электрический сигнал.

Применение ультразвука в медицине

Ультразвук нашел широкое применение в медицинской диагностике и терапии. Какие методы ультразвуковой диагностики используются в клинической практике?

УЗИ внутренних органов
Эхокардиография
Допплерография сосудов
Нейросонография
Ультразвуковая диагностика в акушерстве

В терапии ультразвук применяется для физиотерапии, разрушения камней в почках (литотрипсия), воздействия на опухоли. Ультразвуковая хирургия позволяет проводить малоинвазивные операции.

Промышленное применение ультразвука

В промышленности ультразвук используется для различных технологических процессов. Каковы основные области применения ультразвука в производстве?

Ультразвуковая очистка и обезжиривание деталей
Сварка пластмасс и металлов
Интенсификация химических реакций
Диспергирование и гомогенизация жидкостей
Ультразвуковая дефектоскопия и неразрушающий контроль

Ультразвуковые технологии позволяют повысить производительность и качество многих производственных процессов.

Принципы формирования ультразвукового изображения

Как формируется изображение в ультразвуковом сканере? В основе лежит импульсный эхо-метод:

Датчик излучает короткий ультразвуковой импульс
Импульс распространяется в тканях, отражаясь от границ сред

Отраженные эхо-сигналы принимаются датчиком
По времени прихода и амплитуде эхо-сигналов строится изображение

Современные сканеры используют многоэлементные датчики и сложные алгоритмы обработки сигналов для получения качественных изображений в реальном времени.

Физические эффекты при распространении ультразвука в тканях

При прохождении ультразвука через биологические ткани возникают различные физические эффекты. Какие основные явления наблюдаются?

Поглощение энергии и нагрев тканей
Механическое воздействие (микромассаж)
Кавитация в жидких средах
Акустические течения
Звуковое давление

Эти эффекты лежат в основе лечебного действия ультразвука в физиотерапии. При диагностическом применении интенсивность ультразвука ограничивают для минимизации воздействия на ткани.

Артефакты ультразвукового изображения

При формировании ультразвукового изображения могут возникать различные артефакты — искажения, не соответствующие реальной структуре тканей. С чем связано появление артефактов?

Реверберации (многократные отражения)
Акустические тени
Усиление эхосигнала за жидкостными структурами
Зеркальные артефакты
Боковые лепестки ультразвукового луча

Знание природы артефактов позволяет правильно интерпретировать ультразвуковые изображения и использовать некоторые артефакты для диагностики.

Перспективы развития ультразвуковых технологий

Ультразвуковые методы продолжают активно развиваться. Какие новые направления исследований в области ультразвука наиболее перспективны?

3D и 4D визуализация
Ультразвуковая эластография
Контрастные методы исследования
Высокоинтенсивный фокусированный ультразвук для лечения опухолей
Молекулярная ультразвуковая визуализация

Совершенствование технологий позволяет повысить информативность ультразвуковых исследований и расширить возможности их применения в медицине и промышленности.

4.Свойства ультразвука.

Следует отметить, что ультразвук – это тот же звук, только большой частоты. Поэтому, отметим его некоторые характерные свойства.

а) Скорость распространения УЗ в различных средах такая же, как и у звука слышимого диапазона

б) Интенсивность УЗ на несколько порядков выше, чем самого громкого звука.

в) Газы сильно поглощают УЗ волну, так как собственная частота молекул газов того же порядка, что и частота УЗ (резонансное поглощение)

г) При прохождении УЗ волны через границу двух сред с различными акустическими сопротивлениями, наблюдается на границе и отражение и преломление.

д) По законам волновой физики, волна может отразиться только от того тела, которое больше длины волны. Но поскольку длина УЗ волны мала, поэтому УЗ волна может отражаться от препятствий малого размера.

е) По законам волновой физики, волна может быть сфокусирована в пятно, размер которого не может быть меньше длины самой волны. Поскольку длина УЗ волны мала, то она может быть сфокусирована в пятно очень малого размера, плотность энергии в котором достигает гигантской величины

Применение ультразвука в медицине идёт по двум направлениям: а) диагностика и исследование б) лечение

Для диагностики используют свойство ультразвука отражаться от границы тканей различного рода. На этой основе работают различные эхографические приборы, например, эхознцефалограф «ЭХО». Он излучает короткие УЗ импульсы и улавливает отражённые импульсы. Когда излучается УЗ импульс, то одновременно на экране осциллографа запускается электронный луч. Пока отражённый импульс возвратится назад, луч по экрану пройдёт определённое расстояние и при этом на траектории луча отметится зубец. По положению зубца судят о глубине залегания отражающего тела. А так как длина УЗ волны мала, то таким образом можно обнаружить объект малого размера.

Существуют более совершенные аппараты, в которых УЗ луч осуществляет сканирование внутри организма и позволяет получить на экране монитора двумерную картину внутренних органов Этот аппарат получил название УЗИ (ультразвуковое исследование). Аппараты УЗИ широко применяются в различных отраслях медицины, в частности, в акушерстве и гинекологии. Отличительной чертой всех УЗ диагностических приборов является наличие экрана.

В настоящее время начинает внедряться в медицину метод измерения скорости кровотока, в основе которого лежит эффект Доплера. Внедряется также метод, по которому определяют плотность сросшихся или повреждённых костей, путём измерения скорости УЗ в кости.

Использование УЗ в лечебных целях применяется в

физиотерапиис целью прогревания и микромассажа воспалённых очагов, при этом используется частота около 800 кГц и интенсивность порядка 1 Вт\см²

УЗ высокой интенсивности используется в хирургии в качестве лазерного скальпеля, фокусированный УЗ используется для умертвления злокачественных опухолей внутри головного мозга без операции трепанации черепа, а также ультразвук ускоряет срастание сломанных костей.

В офтальмологии УЗ используется для лечения близорукости, при этом используется УЗ низкой интенсивности.

В стоматологииУЗ используется для удаления зубного камня, а также для обработки кариесных полостей перед пломбированием.

В фармакологииУЗ используется для смешивания таких жидкостей, которые невозможно смешать в обычных условиях, то есть, для получения всяких эмульсий, суспензий.

Например, ультразвук позволяет смешать масло и воду, масло и ртуть и др. масло и воду.

В спорте УЗ используется для облегчения развития эластичности мышц и связок, которое необходимо особенно в художественной гимнастике, а также в балете и цирковом искусстве. УЗ позволяет это сделать быстрее и без возможных травм при перетяжке мышц и связок.

В настоящее время УЗ широко используется для научных исследований для того, чтобы получить новые данные о строении и функциях человеческого организма.

Ультразвук. Свойства ультразвука и области его применения

Похожие презентации:

Влияния состава и размера зерна аустенита на температуру фазового превращения и физико-механические свойства сплавов

Газовая хроматография

Геофизические исследования скважин

Искусственные алмазы

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Воздушные и кабельные линии электропередач

Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса

Магнитные аномалии

Нанотехнологии

1.

УльтразвукРабота выполнена:
Котельниковой
Анастасией
Группа 601-71
Цель: Изучить свойства ультразвука и области его
применения.
Объект: ультразвук
Задачи: 1. Изучить свойства УЗ
2. Изучить области применения УЗ
3. Изучить воздействие ультразвука на
организм человека.

3. Ультразвук

— неслышимые человеческим ухом упругие волны,
частотой от 20 000 Гц до миллиарда Гц. Ультразвук
содержится в шуме ветра и моря, издаётся и
воспринимается рядом животных.
Применяется в практике физических, физико –
химических и биологических исследований.

4. Применение УЗ

В настоящее время ультразвук широко применяется в
различных областях техники и промышленности, в
особенности для анализа и контроля: дефектоскопия,
структурный анализ вещества, определение физико –
химических свойств материалов и др.

5. Особые свойства УЗ

УЗ сильно поглощается газами и слабо жидкостями. В жидкости
под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде
мельчайших пузырьков с кратковременным возрастанием
давления внутри них.

2
0,1

7. Влияние УЗ на организм человека

Длительное воздействие на человека ультразвука и
сопровождающего его высокочастотного звука
вызывает нарушения со стороны нервной,
сердечнососудистой и эндокринной систем,
слухового и вестибулярного аппарата.

8. Средства защиты от УЗ

Изготовление оборудования, излучающего ультразвук, в
звукоизолирующем исполнении.
Устройство экранов ( сталь, дюралюминий, оргстекло)
Размещение УЗ установок в специальных помещениях.
Применение индивидуальных средств защиты.

9. УЗ в медицине

УЗ часто используют в медицине: как в диагностических целях,
так и в качестве лечебного средства. Он обладает
противовоспалительным и рассасывающим действием, ослабляет
чувство боли.
УЗ волны с частотой от 0,5 до 15 мГц способны проходить через
ткани организма, частично отражаясь от границ тканей разного
состава и плотности. Таким образом, есть возможность
распознать патологические изменения органов и тканей без
хирургического вмешательства.

10. Заключение

Проведение ультразвуковых исследований быстро
распространяться во всём мире; особо важное значение
такие исследования имеют в акушерстве, они также
дают полезную информацию в отношении брюшной
полости и мягких тканей.

11. Выявлены свойства УЗ

1. Уменьшает трение по колеблющейся поверхности.
2. Оказывает тепловое воздействие.
3. Уменьшает вязкость вещества.
4. Образует ветер.
5. Генерирует стоящую воду.
6. Выбивает пыль.
7. Образует в жидкостях кавитационные пузырьки.
8. Разрушает кристаллы.
9. Распыляет воду.
10. Способствует перемешиванию жидкостей.

English Русский Правила

Ультразвуковая физика и приборы — StatPearls

Основные принципы физики ультразвука

Важнейшие физические принципы, необходимые для понимания и оптимизации клинического ультразвука, включают частоту, скорость распространения, импульсный ультразвук, взаимодействие волн с тканью, угол падения и затухание[3]. Звук — это механическая энергия, которая движется через чередующиеся волны высокого и низкого давления в среде. Источник звука производит колебания продольных волн, позволяя распространять энергию и критические формы волны для клинического ультразвука. Фаза высокого давления звуковой волны — это фаза сжатия, а фаза низкого давления — фаза разрежения. В клиническом УЗИ задействованными средами являются воздух, вода, жидкости организма, мягкие ткани, кровь и кости.

Частота относится к количеству циклов в секунду, излучаемых зондом в течение одной секунды, и выражается в герцах (Гц). Период — это время, в течение которого происходит полный цикл волны (разрежение и сжатие), и он обратно пропорционален частоте. Точно так же описанная длина волны представляет собой расстояние между двумя соседними волновыми пиками. Важно различать разницу между периодом и длиной волны; первое — это расстояние, а второе — продолжительность времени.[4] Ультразвуковые волны передаются с частотой более 20 МГц, что выше верхнего предела человеческого слуха. Частота зависит от источника излучения и совершенно не зависит от ткани, с которой взаимодействуют волны.[3] Частоты, используемые в клиническом УЗИ, находятся в диапазоне от 1 МГц до 20 МГц, в зависимости от используемого датчика и желаемого применения. Частота имеет соответствующую связь с разрешением и обратную зависимость с глубиной. Чем выше используемая частота, тем ниже проникновение, но выше разрешение изображения.[5]

Амплитуда — это высота или сила волны, определяемая расстоянием между пиком и средним значением самой высокой и самой низкой точек волны. Мощность в ультразвуке относится к квадрату амплитуды волны или разнице между максимальным и средним значениями распространяющихся волн.[6] И мощность, и амплитуда могут контролироваться сонографистом и регулироваться с помощью регулировки усиления. Мощность измеряется в ваттах или милливаттах, но может отображаться на ультразвуковом аппарате либо в децибелах (дБ), либо в процентах от общей акустической мощности.[4]

Интенсивность относится к мощности, подаваемой на определенную площадь, выраженной в ваттах/см2 или милливаттах/см2. [4] Пространственный пик — это место, где интенсивность максимальна (наибольшая мощность на наименьшей площади), и представляет фокус ультразвуковых лучей.

Децибелы (дБ) представляют собой логарифмическое выражение отношения двух интенсивностей звука. дБ можно определить, рассчитав соотношение интенсивности источника звука и наименьшей слышимой интенсивности, рассчитав LOG и умножив его на 10. Существует упрощенное правило 3 дБ, которое утверждает усиление на каждые 3 дБ. Должно быть дополнительное удвоение подаваемой мощности. Таким образом, для усиления 3 дБ требуется удвоенная мощность, для усиления 6 дБ требуется четырехкратная мощность, а для усиления 9Для усиления дБ требуется восьмикратная мощность.

Скорость распространения — это скорость, с которой волны проходят через среду. Скорость ультразвуковых волн принята равной 1540 м/с в мягких тканях, известной как акустический импеданс. Скорость распространения зависит от характеристик среды, через которую распространяются волны, и не зависит от частоты. По мере увеличения плотности ткани скорость распространения уменьшается. Напротив, чем жестче ткань, тем выше скорость распространения.[4]

Для достижения желаемой глубины и разрешения для клинического ультразвука датчик излучает волны в виде импульсов, обычно длительностью в миллисекунды и повторяющихся до нескольких тысяч раз в секунду. Этот принцип называется импульсным ультразвуком.

Ультразвуковые волны проникают в ткань и отражаются обратно к датчику со скоростью, определяемой консистенцией ткани-мишени. Отражения звука, которые возвращаются к зонду, называются эхом и определяются поверхностью раздела двух разных материалов.[3] Изображения, полученные на основе эхосигналов, придают структурам и средам разную плотность на экране, называемую эхогенностью. Чем значительнее разница в плотности двух материалов (тканей), тем сильнее будет создаваемое эхо.[3] Структуры с более высокой плотностью отражают больше звука и считаются более эхогенными (белыми). Таким образом, кости и плотные инородные тела полностью отражают звук и кажутся яркими на экране, тогда как жидкости, такие как вода или моча, не отражают звук на датчик и кажутся анэхогенными (черными). [6] Слабые эхо-сигналы выглядят серыми. Когда волны возвращаются к датчику от таких материалов, как кость и воздух, которые не могут распространять звук, звуковые волны не могут проходить в более глубокие ткани, и возникает тень за границей раздела.

Угол, под которым ультразвуковые волны воздействуют на любую структуру, называется углом падения. Структуры идеально отображаются с углом падения, перпендикулярным излучаемым волнам, потому что отраженные волны возвращаются к зонду в наибольшей концентрации. Когда волны взаимодействуют со структурой под углом, меньшее количество волн отражается обратно к зонду, что снижает как яркость структуры, так и разрешение. Волны, падающие на структуру, возвращаются к зонду под углом, равным углу, первоначально падающему на границу конструкции.[3] Если угол не перпендикулярен углу падения, волна будет отражаться от источника.[4]

Точно так же волны отклоняются от прямой линии, когда скорость волн различается между двумя структурами, что приводит к преломлению. [3] Исходный угол падения и разница в скорости распространения двух сред определяют конечный угол преломления. Преломление является источником артефактов в ультразвуке, учитывая, что все ультразвуковые аппараты работают исходя из предположения, что волны всегда будут распространяться и возвращаться по прямой линии.[3]

Различные поверхности раздела тканей отражают по-разному и влияют на качество изображения. Гладкие границы раздела считаются зеркальными отражателями и возвращают большую часть волн к преобразователю. Зеркальные отражатели контрастируют с нерегулярными границами раздела, называемыми диффузными отражателями, которые заставляют звуковые волны отражаться от преобразователя и снижать качество изображения. Важный тип рассеяния, называемый рассеянием Рэлея, возникает, когда объект меньше длины волны ультразвукового луча. Красные кровяные тельца демонстрируют этот тип рассеяния, в результате чего волны рассеиваются во всех направлениях.[4]

Учитывая, что ультразвуковые волны не могут распространяться по воздуху, для взаимодействия с тканями датчики должны контактировать с кожей пациента через связующую среду. Сцепление происходит за счет использования ультразвукового геля или водяных бань. Поскольку ультразвуковые волны взаимодействуют с тканью и отражают датчик, энергия, связанная с любыми оставшимися лучами, уменьшается с увеличением глубины. Сила проникающих волн снижается за счет преломления, рассеяния и поглощения.[5] Когда волны рассеиваются и энергия поглощается, это приводит к энергии вибрации и теплу. Все процессы, которые способствуют уменьшению энергии, в совокупности называются затуханием.

Затухание волны, или снижение интенсивности на заданном расстоянии, также измеряется в децибелах (дБ) и происходит со скоростью на сантиметр, примерно равной исходной частоте излучения. Таким образом, волна 5 МГц будет затухать примерно на 5 дБ в первом сантиметре и еще на 5 дБ в следующем сантиметре. Предельное проникновение волн определяется глубиной, на которой интенсивность волн уменьшается на 50%, в обратном порядке, используемом для определения усиления в дБ, описанного выше. Таким образом, глубина, на которой ослабляется 50% интенсивности, эквивалентна потере 3 дБ. Волны более высокой частоты и волны для глубокой визуализации затухают быстрее, чем низкочастотные волны или волны, используемые для поверхностной визуализации.[4]

Усиление (мощность) можно регулировать по всему изображению или, в зависимости от используемого аппарата, на разных глубинах, чтобы лучше визуализировать структуры на этих глубинах. Кроме того, более глубокие структуры должны использовать более низкие частоты, чтобы стать видимыми. Такая видимость достигается за счет разрешения, которое улучшается с более высокими частотами. Специалисты по УЗИ должны управлять используемой частотой, чтобы сбалансировать потребность как в глубине, так и в разрешении в зависимости от применения ультразвука для любой конкретной целевой структуры.

Датчики

Преобразователи представляют собой приборы, излучающие и принимающие ультразвуковые волны путем преобразования электрического сигнала в звуковые волны. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрические кристаллы, которые при подаче электрических импульсов производят волны с частотами, определяемыми скоростью распространения кристалла, деленной на удвоенную толщину кристаллического слоя. Типичная толщина кристаллических слоев составляет от 0,2 мм до 2 мм. Полоса пропускания конкретного пробника — это диапазон частот, в котором пробник будет работать.

Преобразователи могут как посылать, так и принимать ультразвуковые волны, применяя энергию и, в конечном счете, звуковые волны в импульсах. Пульсирующий характер создаваемых ультразвуковых волн облегчает излучение и прием звуковых волн. Когда падающие импульсы отражаются от тканей, создавая эхо, устройство может определять силу, направление и время прихода эхо.[3] Количество импульсов, производимых за одну секунду, представляет собой частоту повторения импульсов (PRF), а период повторения импульсов (PRP) — это время между началом двух импульсов. PRF и PRP, как и период и частота, описанные выше, обратно пропорциональны друг другу. Более высокий PRF будет соответствовать большему разрешению изображения, но меньшей глубине, в то время как более высокий PRP и увеличенное время «прослушивания» датчика позволят увеличить глубину. [4]

Типичные датчики, используемые в клиническом ультразвуковом исследовании, включают линейную решетку, фазированную решетку и криволинейную решетку, которые имеют несколько конфигураций и частот в зависимости от необходимого применения. Кристаллы поверхности преобразователя и расположение структуры определяют площадь и форму создаваемого изображения. Линейные массивы имеют плоские грани, которые создают прямоугольное изображение. Фазированные решетки имеют конфигурации кристаллов и последовательности мощности, которые направляют лучи из одной точки для создания секторного изображения, идеального для сканирования между ребрами. Криволинейные массивы имеют изогнутые поверхности различных радиусов, которые также могут использоваться в разных полосах пропускания в зависимости от желаемого приложения. Например, низкочастотные криволинейные датчики часто используются для исследований органов брюшной полости из-за их глубокого проникновения и широкого поля зрения. Напротив, высокочастотные внутриполостные криволинейные датчики используются для обследования женского таза из-за их высокого разрешения и небольших размеров.

Управление изображениями

Частота

Выбор датчика с соответствующей полосой пропускания является важным фактором для получения идеального изображения. Для общих предустановок сканирования машины часто устанавливаются на «GEN» или «общий», как правило, средний диапазон для полосы пропускания зонда. Если для оценки структуры требуется более высокое разрешение, частоту можно увеличить непосредственно на машине или с помощью доступного «RES» для разрешения. Повышенная частота пожертвует глубиной проникновения. Обратное верно, если требуется большее проникновение. Частота уменьшается напрямую или с помощью настройки «PEN» или проникновения.

Усиление

Когда необходимо управлять затуханием из-за того, что цель слишком яркая или слишком темная, мощность можно увеличить или уменьшить либо по всему изображению, либо на заданной глубине. Увеличение усиления добавит мощности для борьбы с затуханием за счет увеличения яркости. [5] Усиление уменьшается при снижении мощности и общей яркости. Когда изображения имеют чрезмерное или недостаточное усиление, разрешение ухудшается.

Компенсация выигрыша по времени

Компенсация усиления по времени относится к элементам управления мощностью на определенной глубине изображения для борьбы с затуханием с глубиной. Это помогает улучшить визуализацию глубоких структур, в основном, если глубокая ткань подвергается заднему акустическому усилению. Эту функцию часто можно увидеть с помощью «ползунков» на ультразвуковой консоли.

Глубина резкости

Глубина резкости — это глубина, на которую передаются и принимаются звуковые лучи. Глубина изменяется на дисплее, чтобы оптимизировать мощность и временное разрешение машины для просмотра целевых структур. Глубина должна быть достаточно значительной, чтобы при необходимости можно было увидеть глубокие структуры, и достаточно мелкой, чтобы видеть мелкие структуры с адекватным разрешением. Когда глубина слишком велика для поверхностных исследований, качество изображения целевой структуры ухудшается.

Фокус и Резолюция

Ультразвуковые лучи выходят из датчика на той же ширине, что и лицо. Они проходят через ближнюю зону, затем сужаются в фокальной зоне и расширяются в дальней зоне. Разрешение, или способность различать два близко расположенных объекта, и боковое разрешение лучше всего в фокальной зоне. Пространственное разрешение также может быть улучшено за счет более высоких частот, меньшей частоты повторения импульсов и короткой длительности импульса. Осевое разрешение, или способность различать две структуры на пути луча, как правило, лучше, чем боковое разрешение, или способность различать две расположенные рядом структуры из-за того, что ультразвуковые лучи короче, чем их ширина. Боковое разрешение наибольшее в фокусе, где ширина луча самая узкая. Временное разрешение, или время, необходимое машине для создания изображения, обратно пропорционально частоте кадров. При более высокой частоте кадров получаются изображения с более низким разрешением, а при более низкой частоте кадров — изображения с более высоким разрешением. Частота кадров не менее 15 кадров в секунду позволяет получать изображения в реальном времени.[6] Временное разрешение наиболее важно для движущихся объектов, и если частота кадров слишком низкая, поддерживающая высокое временное разрешение, способность обнаруживать движение снижается. Дополнительные инструменты увеличения, такие как микропузырьки, повышают разрешающую способность за счет сильного отражения ультразвуковых лучей, особенно в сосудистой системе.[8]

Многолучевой

Современные ультразвуковые датчики предназначены для отправки ультразвуковых сигналов под разными углами по поверхности датчика. Они создают несколько углов падения, которые имеют несколько углов отражения обратно к приемнику зонда. Это помогает улучшить качество изображения, особенно вокруг структур, которые в противном случае были бы склонны к артефактам рефракции.

Тканевые гармоники

Гармоники ткани относятся к тенденции ткани резонировать на частотах, кратных падающей частоте, передаваемой датчиком. Например, когда к ткани передаются волны частотой 3 МГц, ткань будет резонировать на частотах 3 МГц, 6 МГц и 9 МГц.МГц. Преобразователи можно настроить на получение частоты падения и частот гармоник, комбинируя их для создания изображения с более высоким разрешением. Использование настроек тканевых гармоник также помогает уменьшить артефакты.

М-режим

М-режим, или отображение движения во времени, позволяет одному лучу излучаться датчиком вдоль определенной дорожки в сочетании с записывающим устройством, которое фиксирует все движения, происходящие на пути. Этот режим обеспечивает высокое временное разрешение, тем самым предоставляя исследователю превосходный обзор тонких движений.[5] Клинически этот режим идеально подходит для регистрации изменений диаметра сосудов, движения сердечных клапанов и определения сердцебиения плода.

Артефакты

Артефакты — это ошибки изображения, которые интерпретируются ультразвуковым аппаратом в связи с ранее обсуждавшимися физическими принципами. Они часто являются результатом предположения, что ультразвуковые волны всегда распространяются прямолинейно, что все ткани передают звук со скоростью 1540 м/с и что волны всегда отражаются непосредственно в преобразователе.[9] Понимание природы артефактов жизненно важно для сонографистов и тех, кто интерпретирует изображения, потому что артефакты часто используются в качестве подсказок для обнаружения конкретных патологических изменений.

Реверберации

Артефакты реверберации возникают в результате отражения звуковых волн между гладким отражателем и поверхностью преобразователя.[10] Они выглядят как регулярно расположенные линии с интервалами, равными расстоянию между датчиком и конструкцией. Обычными нормальными находками, возникающими в результате артефакта реверберации, являются «линии А» в легочных полях.

Заднее акустическое усиление

Жидкость имеет более высокую скорость распространения и меньшее затухание, чем мягкие ткани. В результате звуковые волны распространяются и возвращаются из глубоких тканей в структуры, заполненные жидкостью, быстрее, чем звуковые волны в соседних, не заполненных жидкостью структурах.[10] Когда датчики принимают звук быстрее и с большей интенсивностью, изображение, создаваемое позади заполненной жидкостью структуры, будет казаться более ярким по сравнению с окружающей тканью. Гиперэхогенный сигнал может скрывать детали ткани. Обычным применением для иллюстрации заднего акустического усиления является ультразвуковое исследование мочевого пузыря, при котором компенсация выигрыша во времени часто должна быть уменьшена для наилучшей оценки тканей глубоко в мочевом пузыре. Неожиданное акустическое усиление сзади также может быть диагностическим признаком того, что жидкость присутствует в местах, представляющих патологические процессы, например, в брюшной полости или плевральной полости.

Тени

Структуры с высокой плотностью обладают высокой отражательной способностью, возвращая большую часть звуковых волн к преобразователю и почти не позволяя волнам проникать в глубокие ткани.[3] Полученное изображение структуры показывает яркую гиперэхогенную линию или плотность с темной гипоэхогенной тенью позади нее. Кость, металл, пластик, дерево, стекло и кальциевые камни имеют достаточную плотность, чтобы быть настолько отражающими и создавать «чистые» глубокие тени. С другой стороны, хотя воздух и не плотный, он также не передает ультразвуковые волны в глубокие структуры. Воздушные интерфейсы также обладают высокой отражающей способностью, но обычно создают менее различимые тени. Воздушные интерфейсы с затенением обычно отмечаются в легких и кишечнике и могут называться «грязными» тенями.

Зеркало

Когда звук отражается от сильного гладкого отражателя, преобразователь может отражать пульсирующую волну, из-за чего аппарат считает, что граница раздела тканей глубокая и такая же, как граница раздела тканей с поверхностными структурами. [3][10] Это обычно видно при просмотре диафрагмы через печень, когда машины будут отображать печень ниже и выше диафрагмы.

Звонок вниз

Артефакты затухания возникают, когда крошечные пузырьки или кристаллы резонируют на той же частоте, что и излучаемый ультразвук, который излучает собственные волны. Звук, полученный от них, приходит после исходного эха и интерпретируется машиной как глубинные структуры. Образующийся в результате артефакт выглядит как гиперэхогенная линия в глубине повреждающей структуры, которую часто называют хвостом кометы. Артефакты кольца вниз являются диагностически полезными в случаях аденомиоматоза желчного пузыря, когда стенки желчного пузыря инфильтрированы кристаллами холестерина.[10]

Преломление

Артефакты преломления, часто называемые краевыми артефактами, возникают, когда падающие ультразвуковые волны взаимодействуют с поверхностями структур под углами, отличными от 90 градусов. Разница в плотности структуры способствует преломлению или отклонению звуковых волн от поверхности. В результате эхо-сигналы не возвращаются к преобразователю из области, которая, как ожидается, будет отражать эхо-сигналы, и, таким образом, создается тень.[9] Этот артефакт обычно наблюдается при просмотре круглых структур, таких как желчный пузырь, где тени будут следовать за краями, соответствующими стенам, когда через них происходит веер.

Ультразвуковая физика и приборостроение — StatPearls

Основные принципы физики ультразвука

Важнейшие физические принципы, необходимые для понимания и оптимизации клинического ультразвука, включают частоту, скорость распространения, импульсный ультразвук, взаимодействие волн с тканью, угол падения и затухание.[3] Звук — это механическая энергия, которая движется через чередующиеся волны высокого и низкого давления в среде. Источник звука производит колебания продольных волн, позволяя распространять энергию и критические формы волны для клинического ультразвука. Фаза высокого давления звуковой волны — это фаза сжатия, а фаза низкого давления — фаза разрежения. В клиническом УЗИ задействованными средами являются воздух, вода, жидкости организма, мягкие ткани, кровь и кости.

Интенсивность относится к мощности, подаваемой на определенную площадь, выраженной в ваттах/см2 или милливаттах/см2.[4] Пространственный пик — это место, где интенсивность максимальна (наибольшая мощность на наименьшей площади), и представляет фокус ультразвуковых лучей.

Ультразвуковые волны проникают в ткань и отражаются обратно к датчику со скоростью, определяемой консистенцией ткани-мишени. Отражения звука, которые возвращаются к зонду, называются эхом и определяются поверхностью раздела двух разных материалов.[3] Изображения, полученные на основе эхосигналов, придают структурам и средам разную плотность на экране, называемую эхогенностью. Чем значительнее разница в плотности двух материалов (тканей), тем сильнее будет создаваемое эхо.[3] Структуры с более высокой плотностью отражают больше звука и считаются более эхогенными (белыми). Таким образом, кости и плотные инородные тела полностью отражают звук и кажутся яркими на экране, тогда как жидкости, такие как вода или моча, не отражают звук на датчик и кажутся анэхогенными (черными).[6] Слабые эхо-сигналы выглядят серыми. Когда волны возвращаются к датчику от таких материалов, как кость и воздух, которые не могут распространять звук, звуковые волны не могут проходить в более глубокие ткани, и возникает тень за границей раздела.

Точно так же волны отклоняются от прямой линии, когда скорость волн различается между двумя структурами, что приводит к преломлению.[3] Исходный угол падения и разница в скорости распространения двух сред определяют конечный угол преломления. Преломление является источником артефактов в ультразвуке, учитывая, что все ультразвуковые аппараты работают исходя из предположения, что волны всегда будут распространяться и возвращаться по прямой линии. [3]