Ультразвуковые диагностические приборы

Ультразвук
Ультразвук (УЗ)
механические колебания и волны с частотой более 20 кГц.
Верхний предел УЗ - частот
Гц.

Особенности распространения
УЗ в среде
1. УЗ - волна является продольной.
2. Лучевой характер распространения.
3. Проникновение в оптически непрозрачные среды.
4. Возможность фокусировки энергии луча в малом объеме.
5. Отсутствие дифракции на стенках внутренних органов человека.
6. Отражение от границы раздела сред, отличающихся волновым сопротивлением.
7. Способность поглощаться биологическими тканями.

а – чередование зон сжатия и разрежения
б – изменение давления в зависимости от координаты
Продольные акустические волны в упругой среде

Различные виды акустических волн
ПЛОСКИЕ
СФЕРИЧЕСКИЕ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ

Основные явления при взаимодействии УЗ с веществом
ОТРАЖЕНИЕ – изменение направления волны на границе двух сред с разными оптическими свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл.
ПРЕЛОМЛЕНИЕ - изменение направления распространения волн при переходе из одной среды в другую.
РАССЕЯНИЕ – возникновение множественных изменений направления распространения, обусловленное мелкими неоднородностями среды, следовательно многочисленными отражениями и преломлениями.
ПОГЛОЩЕНИЕ – переход энергии волны в другие виды энергии (в частности в тепло), обусловленный вязкостью среды.

Распространение и отражение УЗ
Акустическая неоднородность

АКУСТИЧЕСКИЙ ИМПЕДАНС
Z=ρc
C – скорость распространения УЗ в данной среде
ρ - плотность среды
КОЭЭФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ

Скорости УЗ и акустические сопротивления сред

Коэффициент отражения УЗ на границе биологических сред

Распространение импульсного сигнала

Принцип метода эхолокации
Метод эхолокации используется для определения внутренней структуры непрозрачных сред, местонахождения неоднородностей, их формы и размеров. Для этого, измеряя время t между излучением и приемом отраженного сигнала и зная среднюю скорость распространения УЗ-волны в изучаемой среде v, находят расстояние S до отразившего сигнал объекта по формуле
1- УЗ-зонд
2- граница сред
3- включение
УЗ-зонд является сразу и источником, и приемником ультразвука. Для того чтобы разделить во времени прием и передачу УЗ-сигнала и избежать их наложения, а также для измерения времени распространения сигнала в объекте, эхоскопы работают в импульсном режиме При этом в промежутках времени между импульсами излучения УЗ-зонд работает на прием.

Схема получения двухмерного изображения

А -, В -, М – режимы УЗ исследования

А - режим
А – режим – амплитудный режим. Зондирование осуществляется при неизменном направлении акустического луча.
Интенсивность принятых эхосигналов представлена в виде электрических импульсов различной амплитуды.

В - режим
В – режим (brightness - яркость) – двумерный режим визуализации, при котором на экране получают изображение, состоящее из участков, интенсивность которых тем выше, чем больше амплитуда отраженного сигнала.

М - режим
М – режим (motion - движение) способ визуализации при котором на экране отображается временная развертка всех движущихся структур.

Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария, цинковой обманке и других веществах.
Практическое использование человеком ультразвука начато после открытия в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри пьезоэлектрического эффекта («Пьезо» - по гречески «давить, сжимать»). Впервые этот эффект обнаружен у горного хрусталя (разновидности кварца).

Ультразвуковые преобразователи
Прямой пьезоэффект - если деформировать пластину пьезоэлектрика, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды.
Обратный пьезоэффект - если прикладывать к пластине переменное электрическое напряжение, то кристалл начинает сжиматься и расширяться (изменять геометрические размеры), с частотой прикладываемого напряжения.

Ультразвуковой преобразователь

Конфигурация пьезоэлементов в различных типах датчиков

Типы датчиков
а,б- секторные механические
в- линейный секторный
г- конвексный
д -микроконвексный
е- фазированный
секторный

Схема УЗ сканера

М- эхокардиограмма ЛЖ

Эффект Доплера и его использование в медико-биологических исследованиях
Доплер Христиан (1803-1853) - австрийский физик, математик, астроном.
Жил в Зальцбурге. Директор первого в мире физического института.
Эффект Доплера заключается в изменении частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.

При сближении источника и наблюдателя – верхние знаки,
при удалении – нижние знаки
Классический пример этого феномена: Звук свистка от движущегося поезда.

Источник звука неподвижен
Источник звука приближается к уху
Источник звука удаляется от уха

Когда УЗ отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется. Происходит сдвиг частоты.
Доплеровский сдвиг ∆ν - это разность между отраженной и переданной частотами.

Учет допплеровского угла между направлением движения отражателя и источник-приемником

Влияние угла на измерение допплеровского сдвига частоты

Эффект Доплера используется для определения:
• скорости движения тела в среде,
• скорости кровотока,
• скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография)

Параболическое распределение скоростей кровотока в сечение сосуда
Диастола
Систола

Спектр скоростей в сечении сосуда
Систола
Диастола

Спектр скоростей в сосудах
а -широкий сосуд
б- зона стеноза
в- зона сильного стеноза

Формирование допплеровского спектра

Допплеровская спектрограмма ламинарного и турбулентного потоков
А- нормальный ламинарный поток в аорте
Б- стенозированный аортальный
клапан

Схема непрерывно-волнового(CW) и импульсно-волнового(PW) режимов допплерографии

Преобразование допплеровского сигнала в допплеровский спектр

Принцип формирования цветового допплеровского изображения

Изображение в режиме энергетического допплера

Допплеровская визуализация в В- и М-режимах

Сканирование матричной фазированной решеткой

3D- ЭхоКГ сердца

Окрашивание сегментированных структур щитовидной железы в 3D изображении
Желтый- правая доля, Красный- сонная артерия, Зеленый - яремная вена,
Лиловый - узел на границе перешейка