Применение ультразвука в медицине в качестве диагностического аппарата наиболее востребовано. Медицинский диагностический ультразвук — это способ визуализации, который формирует изображения, показывающие срез тела, так называемые томографические изображения.
Ультразвук — это звук с частотой выше слышимого звукового диапазона. Звук — это механическая энергия, которая нуждается в среде для распространения. Таким образом, в отличие от электромагнитных волн, он не может перемещаться в вакууме.
Частоты, обычно применяемые в клинической визуализации или электромагнитный спектр, лежат между 1 МГц и 20 МГц, чаще всего от 1МГц до 3 МГц (1 000 000 до 3 000 000 колебаний в секунду). Звук генерируется преобразователем, который сначала действует как громкоговоритель, посылая акустический импульс вдоль узкого луча в заданном направлении. Датчик затем действует как микрофон для того чтобы записать акустические отголоски произведенные тканью вдоль пути испущенного импульса. Эти эхо-сигналы, таким образом, несут информацию об акустических свойствах ткани вдоль пути. Излучение акустической энергии и запись эха обычно происходят на одном и том же датчике, в отличие от компьютерной томографии, где излучатель (рентгеновская трубка) и регистратор (детекторы) расположены на противоположной стороне от пациента.
Принцип работы УЗИ аппарата подтверждает широкое применение ультразвука в медицине.
Кроме диагностических целей применение ультразвука в медицине за счет проницаемости в тело используется при противовоспалительных, рассасывающих, аналгезирующих, спазмолитических, стоматологических процедурах.
Процедура фонофорез использует ультразвук и вводимые лечебные вещества.
Основы ультразвука
Ультразвук (как и звук) нуждается в среде, в которой он может распространяться посредством локальной деформации среды. Можно представить себе среду, состоящую из маленьких сфер (например, атомов или молекул), которые связаны с пружинами. Когда механическая энергия передается через такую среду, сферы будут колебаться вокруг своего положения покоя. Таким образом, распространение звука происходит за счет непрерывного обмена между кинетической энергией и потенциальной энергией, связанной с плотностью и упругими свойствами среды.
Двумя простейшими волнами, которые могут существовать в твердых телах, являются продольные волны, в которых движения частиц происходят в том же направлении, что и распространение (или поток энергии), и поперечные (или сдвиговые волны), в которых движения происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В воде и мягких тканях волны в основном продольные.
Скорость звука в мягких тканях при 37°С составляет около 1540 м/с.
Когда плоская волна создается с одной стороны резервуара для воды, можно также наблюдать отражение с другой стороны резервуара. Волна отражается точно так же, как луч света от зеркала или бильярдного шара, отскакивающего от барьера стола.
Сферическая волна, которая, с другой стороны, исходит из точечного источника и распространяется во всех направлениях создает сложную картину, когда отражается от четырех сторон резервуара.
Генерация ультразвука
Ультразвуковой преобразователь отвечает за генерацию ультразвука и запись эхо-сигналов, генерируемых средой. Поскольку преобразователь должен производить механические колебания в мегагерцовом диапазоне, необходим материал, который может вибрировать так быстро. Пьезоэлектрические материалы идеально подходят для этого.
Типичный преобразователь состоит из дискообразного пьезоэлемента, который вибрирует, подавая электрический импульс через электрод с каждой стороны диска. Аналогично, эхо, возвращающееся на диск, заставляет его вибрировать, создавая небольшой электрический потенциал на тех же двух электродах, который может быть усилен и записан. В современных клинических сканерах датчик состоит из сотен небольших пьезоэлементов, расположенных в виде массива, упакованного в небольшой корпус. Форма этой линии может быть либо линейной, либо выпуклой. Использование массивов с сотнями элементов, позволяет электронно фокусировать и направлять луч.
Пьезоэлектричество
Акустическое поле создается с помощью пьезоэлектрического эффекта, присутствующего в некоторых керамических материалах. Электроды (например, тонкие слои серебра) размещаются по обе стороны диска из такого материала. Одна сторона диска закреплена на амортизирующем так называемом материале подложки, другая сторона может свободно перемещаться. Если к двум электродам приложить напряжение, то результатом будет физическая деформация поверхности кристалла, которая заставит окружение перед кристаллом вибрировать и, таким образом, генерировать звуковое поле. Если материал сжат или расширен, как это будет иметь место, когда акустическая волна ударяется о поверхность, смещение заряда внутри материала вызовет изменение напряжения на электродах. Это используется для излучения и приема акустической энергии в изделиях медицинской техники.
Поскольку ультразвуковой преобразователь или пьезоэлектрический кристалл — имеет размер, сравнимый с длиной волны или превышающий ее, генерируемое поле становится очень сложным. Вместо того, чтобы предоставлять уравнения для описания поля, теперь его попытаются визуализировать.
Обратите внимание, что ключом к пониманию распространения ультразвука в заданную точку поля из двух разных исходных местоположений требуется разное время. Интерференция, которая вызвана этим, совершенно уникальна для ультразвука. Пример: явления интерференции можно исследовать в повседневной жизни: если вы расположите себя с одним ухом, направленным в громкоговоритель, и включаете высокие частоты, то звуковая картина изменится, если вы будете двигаться перед громкоговорителем, особенно при движении перпендикулярно акустической оси громкоговорителя. Происходит то, что ухо перемещается в разные точки пространства, что проявляет различное количество конструктивных и деструктивных помех. Это явление менее заметно на низких частотах (бас), потому что длина волны становится больше. Это также является причиной того, что стереосистема может работать с одним сабвуфером для очень низкой полосы частот, но нуждается в двух громкоговорителях для остальных более высоких частот.
Взаимодействие ультразвука со средой
Взаимодействие между средой и излучаемым в нее ультразвуком можно описать следующими явлениями:
- Эхо-сигналы, которые возвращаются к преобразователю и таким образом дают информацию о среде, обусловлены двумя явлениями: отражением и рассеянием.
- Отражение можно представить себе как когда бильярдный шар отскакивает от барьера стола, где угол отражения идентичен углу падения.
- Рассеяние можно представить себе, когда кто-то светит сильным светом на кончик иглы: свет рассеивается во всех направлениях.
В акустике отражение и рассеяние имеют место, когда излучаемый импульс проходит через границу раздела между двумя средами с различными акустическими свойствами, как при попадании на границу раздела объекта с различными акустическими свойствами.
В частности, отражение происходит, когда граница раздела велика относительно длины волны (например, между кровью и артерией). Рассеяние происходит, когда граница раздела мала относительно длины волны (например, эритроцит).
Однако абстракция бильярдного шара не является полной: в медицинском ультразвуке, когда происходит отражение, обычно отражается только (небольшая) часть волны. Эта переданная волна почти всегда будет преломлена, таким образом, как правило, распространяясь в другом направлении. Единственное исключение — когда волна ударяется перпендикулярно на большой плоской границе раздела: отраженная часть волны отражается назад точно в том же направлении, откуда она пришла (как с бильярдным шаром), и преломленная волна распространяется таким же образом, как падающая волна.
Отражение и рассеяние могут происходить одновременно, например, если большая плоская поверхность раздела является грубой. Чем она более гладкая, тем больше она напоминает чистое отражение (если она полностью гладкая, происходит зеркальное отражение). Чем грубее, тем больше это напоминает рассеяние.
Отражение и передача
Когда плоская волна сталкивается с границей раздела между двумя средами с различными акустическими свойствами, происходит отражение и преломление, что означает, что часть волны отражается, а часть волны преломляется. Таким образом, волна продолжает свое распространение, но в новом направлении.
Поскольку ультразвуковое эхо изменяется по силе в зависимости от угла падения, чем больше углов сканирования используется, тем больше вероятность того, что ультразвуковой луч перпендикулярен или почти перпендикулярен наблюдаемому объекту, и тем лучше он будет визуализирован.
В организме человека приблизительное отражение можно наблюдать на границе раздела крови и стенок крупных сосудов или на границе раздела мочи и стенки мочевого пузыря.
Таким образом применение ультразвука в медицине основано на особенностях распространения волн в теле человека для диагностических и лечебных целях.
