Ultraäänen taajuuden pienentyessä tunkeutumissyvyys. Ultraääni. Ultraääniaaltojen etenemisteorian perusteet. Hitaat skannauslaitteet

Tärinä ja aallot. Värähtelyjä kutsutaan samojen tai lähes samojen prosessien toistuvaksi toistumiseksi. Värähtelyjen etenemisprosessia väliaineessa kutsutaan aalloksi. Aallon etenemissuuntaa osoittavaa viivaa kutsutaan säteeksi ja rajaa, joka määrittää värähtelevät hiukkaset väliaineen hiukkasista, jotka eivät ole vielä alkaneet värähdellä, kutsutaan aaltorintamaksi.

Aikaa, jonka aikana täydellinen värähtelysykli on suoritettu, kutsutaan jaksoksi T ja se mitataan sekunteina. Arvoa ƒ \u003d 1 / T, joka osoittaa, kuinka monta kertaa sekunnissa värähtely toistetaan, kutsutaan taajuudeksi ja mitataan arvolla c -1.

Arvoa ω, joka osoittaa pisteen täydellisten kierrosten lukumäärän kehän ympärillä 2T sekunnissa, kutsutaan ympyrätaajuudeksi ω = 2 π / T = 2 π ƒ ja mitataan radiaaneina sekunnissa (rad/s).

Aaltovaihe on parametri, joka näyttää kuinka suuri osa ajanjaksosta on kulunut viimeisen värähtelyjakson alusta.

Aallonpituus λ on pienin etäisyys kahden samassa vaiheessa värähtelevän pisteen välillä. Aallonpituus liittyy taajuuteen ƒ ja nopeuteen suhteella: λ = c / ƒ . Vaakasuuntaista X-akselia pitkin etenevä tasoaalto kuvataan kaavalla:

u \u003d U cos (ω t - kx),

missä k = 2 π /λ. - aaltonumero; U - värähtelyn amplitudi.

Kaavasta voidaan nähdä, että u:n arvo muuttuu jaksottaisesti ajassa ja tilassa.

Hiukkasten siirtymää tasapainoasennosta u ja akustista painetta p käytetään suurena, joka muuttuu värähtelyjen aikana.

Ultraäänivirheentunnistuksessa (USA) värähtelyt taajuudella 0,5 ... 15 MHz (pitkittäisaallonpituus teräksessä 0,4 ... 12 mm) ja siirtymäamplitudi 10 -11 ... terästä taajuudella 2 MHz , akustiset jännitykset 10 ... 10 8 Pa).

Aallon I intensiteetti on yhtä suuri kuin I = р 2 /(2ρс) ,

missä ρ on väliaineen tiheys, jossa aalto etenee.

Ohjaukseen käytettyjen aaltojen intensiteetti on erittäin alhainen (~10 -5 W/m2). Virheiden havaitsemisen aikana ei tallenneta aaltojen A intensiteettiä, vaan amplitudia. Yleensä amplitudin A "vaimennus mitataan suhteessa tuotteessa herätettyjen värähtelyjen amplitudiin A o (koetuspulssi) eli suhteeseen. A" / A o. Tätä varten käytetään desibelien logaritmisia yksiköitä (dB), ts. A "/ A o \u003d 20 Ig A" / A o.

Aaltotyypit. Riippuen hiukkasten värähtelyjen suunnasta suhteessa säteeseen, erotetaan useita aaltotyyppejä.

Pitkittäinen aalto on aalto, jossa yksittäisten hiukkasten värähtelevä liike tapahtuu samaan suuntaan, jossa aalto etenee (kuva 1).

Pitkittäiselle aallolle on tunnusomaista se, että väliaineessa on vuorotellen puristus- ja harventumisalueita, tai korkea ja matala paine tai korkea ja matala tiheys. Siksi niitä kutsutaan myös paine-, tiheys- tai puristusaaltoiksi. Pituussuuntainen voi levitä kiinteissä aineissa, nesteissä, kaasuissa.

Riisi. 1. Väliainehiukkasten v värähtely pituussuuntaisessa aallossa.

Leikkaus (poikittain) kutsutaan sellaiseksi aalloksi, jossa yksittäiset hiukkaset värähtelevät aallon etenemissuuntaa vastaan ​​kohtisuorassa suunnassa. Tällöin yksittäisten värähtelytasojen välinen etäisyys pysyy ennallaan (kuva 2).

Riisi. 2. Väliainehiukkasten v värähtely poikittaisessa aallossa.

Pituus- ja poikittaiset aallot, jotka saivat yleisnimen "kehon aallot", voivat esiintyä rajoittamattomassa väliaineessa. Näitä käytetään yleisimmin ultraäänivirheiden havaitsemiseen.

Pituusaallon etenemisnopeus rajoittamattomassa kiinteässä kappaleessa määräytyy lausekkeen avulla

jossa E on Youngin moduuli, joka määritellään tiettyyn tankoon kohdistetun vetovoiman suuruuden ja tuloksena olevan muodonmuutoksen välisenä suhteena; v - Poissonin suhde, joka on tangon leveyden muutoksen suhde sen pituuden muutokseen, jos sauvaa venytetään pitkin pituutta; ρ on materiaalin tiheys.

Leikkausaallon nopeus Rajattomassa kiinteässä aineessa ilmaistaan seuraavalla tavalla:

Koska v ≈ 0,3 metalleissa, pitkittäis- ja poikittaisaaltojen välillä on suhde

c t ≈ 0,55 sl.

pinta-aallot(Rayleigh-aallot) ovat elastisia aaltoja, jotka etenevät pitkin kiinteän kappaleen vapaata (tai kevyesti kuormitettua) rajaa ja vaimenevat nopeasti syvyyden myötä. Pinta-aalto on pitkittäis- ja poikittaisaaltojen yhdistelmä. Pinta-aallon hiukkaset värähtelevät elliptistä liikerataa pitkin (kuva 3). Ellipsin pääakseli on kohtisuorassa rajaan nähden.

Koska pinta-aaltoon saapuva pitkittäiskomponentti vaimenee nopeammin syvyyden myötä kuin poikittaiskomponentti, ellipsin venymä muuttuu syvyyden mukaan.

Pinta-aallon nopeus on s = (0,87 + 1,12v) / (1+v)

Metalleille, joiden s ≈ 0,93c t ≈ 0,51 c l .

Etuosan geometrisesta muodosta riippuen erotetaan seuraavat aaltotyypit:

• pallomainen - ääniaalto pienellä etäisyydellä äänipistelähteestä;
• sylinterimäinen - ääniaalto lyhyellä etäisyydellä äänilähteestä, joka on pitkä, halkaisijaltaan pieni sylinteri;
• tasainen - äärettömästi värähtelevä taso voi säteillä sitä.

Pallo- tai tasoääniaallon paine määräytyy suhteesta:

missä v on värähtelynopeuden arvo.

Arvoa ρс = z kutsutaan akustiseksi resistanssiksi tai akustiseksi impedanssiksi.

Riisi. 3. Väliainehiukkasten v värähtely pinta-aallossa.

Jos akustinen impedanssi on suuri, väliainetta kutsutaan kovaksi, jos impedanssi on pieni, - pehmeä (ilma, vesi).

Normaali (aallot lautasissa), kutsutaan elastisiksi aalloksi, jotka etenevät kiinteässä levyssä (kerroksessa), jossa on vapaat tai kevyesti kuormitetut rajat.

Normaaliaalloilla on kaksi polarisaatiota: pysty- ja vaakasuuntainen. Näistä kahdesta aaltotyypistä yleisimmin käytetyt ovat Lamb-aallot - normaalit aallot pystypolarisaatiolla. Ne syntyvät resonanssin seurauksena tulevan aallon vuorovaikutuksessa levyn sisällä heijastuneiden aaltojen kanssa.

Ymmärtääksemme aaltojen fysikaalisen olemuksen levyissä tarkastelkaamme kysymystä normaalien aaltojen muodostumisesta nestekerroksessa (kuva 4).

Riisi. 4. Kysymykseen normaalin tahdon esiintymisestä nestekerroksessa.

Pudota tasoaalto ulkopuolelta kulmassa β kerrokselle, jonka paksuus on h. Rivi AD näyttää tulevan aallon etuosan. Rajalla tapahtuvan taittumisen seurauksena kerrokseen syntyy CB-rintamalla varustettu aalto, joka etenee kulmassa α ja heijastuu kerroksessa useita kertoja.

Tietyllä tulokulmalla β alapinnasta heijastuva aalto on samassa vaiheessa yläpinnalta tulevan suoran aallon kanssa. Tämä on edellytys normaalien aaltojen esiintymiselle. Kulma a, jossa tämä ilmiö tapahtuu, voidaan löytää kaavasta

h cos α = n λ 2/2

Tässä n on kokonaisluku; λ 2 - aallonpituus kerroksessa.

Kiinteällä kerroksella ilmiön olemus (kehon aaltojen resonanssi vinossa tulossa) säilyy. Normaalien aaltojen muodostumisolosuhteet ovat kuitenkin erittäin monimutkaiset, koska levyssä on pitkittäisiä ja poikittaisaaltoja. Erityyppisiä aaltoja, jotka ovat olemassa eri n:n arvoille, kutsutaan normaaliaaltojen muodoiksi. ultraääniaaltoja parittomilla arvoilla n:tä kutsutaan symmetrisiksi, koska niissä olevien hiukkasten liike on symmetristä levyn akseliin nähden. Kutsutaan aaltoja, joiden arvo on parillinen n antisymmetrinen(Kuva 5).

Riisi. 5. Väliainehiukkasten värähtely v normaalissa aallossa.

pään aallot. Todellisissa olosuhteissa ultraäänitestauksessa kaltevalla anturilla emittoivan pietsosähköisen elementin ultraääniaallon etupinnalla on ei-tasomainen muoto. Emitteristä, jonka akseli on suunnattu ensimmäiseen kriittiseen kulmaan rajapinnalle, myös pituussuuntaiset aallot putoavat rajapinnalle kulmilla, jotka ovat hieman pienempiä ja jonkin verran suurempia kuin ensimmäinen kriittinen kulma. Tässä tapauksessa teräksessä viritetään useita erilaisia ​​ultraääniaaltoja.

Epähomogeeninen pituussuuntainen pinta-aalto etenee pitkin pintaa (kuva 6). Tätä pinta- ja tilavuuskomponenteista koostuvaa aaltoa kutsutaan myös vuotavaksi tai hiipiväksi. Tämän aallon hiukkaset liikkuvat ratoja pitkin ellipsien muodossa lähellä ympyröitä. Ulosvirtaavan aallon vaihenopeus с в ylittää hieman pitkittäisaallon nopeuden (teräkselle с в = 1,04с l).

Nämä aallot esiintyvät syvyydellä, joka on suunnilleen yhtä suuri kuin aallonpituus ja vaimenevat nopeasti etenemisen aikana: aallon amplitudi vaimenee 2,7 kertaa nopeammin etäisyydellä 1,75 λ. pitkin pintaa. Heikkeneminen johtuu siitä, että rajapinnan jokaisessa pisteessä syntyy poikittaisia ​​aaltoja kulmassa α t2, joka on yhtä suuri kuin kolmas kriittinen kulma, joita kutsutaan sivuaalloksi. Tämä kulma määräytyy suhteesta

sin α t2 = (c t2 - c l2)

teräkselle α t2 = 33,5°.

Riisi. 6. Pääaaltoanturin akustinen kenttä: PET - pietsosähköinen anturi.

Vuotavan lisäksi viritetään myös pääaalto, jota käytetään laajasti ultraäänitestauksen käytännössä. Pääaaltoa kutsutaan pitkittäis-pinnanalaiseksi aalloksi, joka virittyy, kun ultraäänisäde putoaa rajapinnalle kulmassa, joka on lähellä ensimmäistä kriittistä aaltoa. Tämän aallon nopeus on yhtä suuri kuin pituussuuntaisen aallon nopeus. Pääaalto saavuttaa amplitudiarvonsa pinnan alla sädettä pitkin sisääntulokulmalla 78°.

Riisi. Kuva 7. Pääaallon heijastusamplitudi tasapohjaisten reikien syvyydestä riippuen.

Pääaalto, kuten vuotava, tuottaa lateraalisia poikittaisia ​​ultraääniaaltoja kolmannessa kriittisessä kulmassa rajapinnalle. Samanaikaisesti pituussuuntaisen pinta-aallon virityksen kanssa muodostuu käänteinen pituussuuntainen pinta-aalto - elastisen häiriön eteneminen suoraa säteilyä vastakkaiseen suuntaan. Sen amplitudi on ~100 kertaa pienempi kuin suoran aallon amplitudi.

Pääaalto ei ole herkkä pinnan epätasaisuuksille ja reagoi vain pinnan alla oleviin virheisiin. Pitkittäis-pinnanalaisen aallon amplitudin vaimennus minkä tahansa suunnan sädettä pitkin tapahtuu kuten tavallisessa pitkittäismassaaallossa, ts. verrannollinen l / r:ään, missä r on säteen etäisyys.

Kuvassa Kuva 7 esittää kaikusignaalin amplitudin muutoksen eri syvyyksillä sijaitsevista tasapohjaisista reikistä. Herkkyys pinnan lähellä oleville virheille on lähellä nollaa. Suurin amplitudi 20 mm:n etäisyydellä saavutetaan tasapohjaisille rei'ille, jotka sijaitsevat 6 mm:n syvyydessä.

Muut aiheeseen liittyvät sivut

Ultraäänen etenemisnopeus betonissa vaihtelee sen rakenteesta ja lujuudesta riippuen 2800-4800 m/s (taulukko 2.2.2).

Taulukko 2.2.2

Tällaisen nopeuden mittaaminen suhteellisen pieniltä alueilta (keskimäärin 0,1-1 m) on suhteellisen monimutkainen tekninen ongelma, joka voidaan ratkaista vain korkeatasoinen radioelektroniikan kehittäminen. Kaikista olemassa olevista ultraäänen etenemisnopeuden mittausmenetelmistä voidaan erottaa seuraavat:

Akustinen interferometri menetelmä;

resonanssimenetelmä;

Matkustaa aalto menetelmä;

impulssimenetelmä.

Ultraäänen nopeuden mittaamiseen betonissa käytetään yleisimmin pulssimenetelmää. Se perustuu lyhyiden, 30-60 Hz:n toistotaajuudella olevien ultraäänipulssien toistuvaan lähettämiseen betoniin ja näiden pulssien etenemisajan mittaamiseen tietyltä etäisyydeltä, jota kutsutaan luotauspohjaksi, ts.

Siksi ultraäänen nopeuden määrittämiseksi on tarpeen mitata pulssin kulkema matka (luotauskanta) ja aika, joka kuluu ultraäänen etenemiseen lähetyspaikasta vastaanottoon. Äänipohja voidaan mitata millä tahansa laitteella 0,1 mm:n tarkkuudella. Ultraäänen etenemisaikaa mitataan useimmissa nykyaikaisissa laitteissa täyttämällä elektroniset portit korkeataajuisilla (jopa 10 MHz) laskentapulsseilla, joiden alku vastaa pulssin lähetyshetkeä ja loppu vastaa sen saapumishetkeä. vastaanottimessa. Tällaisen laitteen yksinkertaistettu toimintakaavio on esitetty kuvassa. 2.2.49.

Kaava toimii seuraavasti. Pääoskillaattori 1 tuottaa sähköpulsseja taajuudella 30 - 50 Hz, riippuen laitteen rakenteesta ja käynnistää suurjännitegeneraattorin 2, joka tuottaa lyhyitä sähköpulsseja, joiden amplitudi on 100 V. Nämä pulssit tulevat emitteriin. , jossa ne pietsosähköistä vaikutusta käyttämällä muunnetaan mekaanisten värähtelyjen pakkaukseksi (5-15 kappaletta), joiden taajuus on 60-100 kHz, ja johdetaan akustisen voitelun avulla ohjattuun tuotteeseen. Samanaikaisesti avautuu elektroninen portti, joka on täytetty laskentapulsseilla, ja skanneri laukeaa, elektronisäteen liike katodisädeputken (CRT) näyttöä pitkin alkaa.

Riisi. 2.2.49. Ultraäänilaitteen yksinkertaistettu toimintakaavio:

1 - päägeneraattori; 2 - suurjännitesähköisten impulssien generaattori; 3 - ultraäänipulssien lähettäjä; 4 - valvottu kohde; 5 - vastaanotin; 6 - vahvistin; 7 - portin muodostusgeneraattori; 8 - laskentapulssien generaattori; 9 - skanneri; 10 - indikaattori; 11 - prosessori; 12 - kertoimen syöttölohko; 13 - arvojen digitaalinen ilmaisin t, V, R

Ultraäänimekaanisten värähtelypakan pääaalto, joka on kulkenut pituuden L ohjatun tuotteen läpi viettäen aikaa t, tulee vastaanottimeen 5, jossa se muunnetaan sähköimpulssien pakkaukseksi.

Saapuva pulssipurske vahvistetaan vahvistimessa 6 ja se menee pystyskanneriin visuaalista ohjausta varten CRT-näytöllä, ja tämän purskeen ensimmäinen pulssi sulkee portin pysäyttäen laskentapulssien pääsyn. Näin ollen elektroniset portit olivat auki pulssien laskemista varten ultraäänivärähtelyjen lähetyshetkestä siihen hetkeen, kun ne saapuivat vastaanottimeen, ts. aika t. Seuraavaksi laskuri laskee portin täyttäneiden laskentapulssien määrän, ja tulos näytetään ilmaisimella 13.

Joissakin nykyaikaisissa laitteissa, kuten "Pulsar-1.1", on prosessori ja kertoimen syöttöyksikkö, joiden avulla ratkaistaan ​​"nopeus-lujuus"-riippuvuuden analyyttinen yhtälö ja aika t, nopeus V ja betonin lujuus R näkyvät digitaalinäytössä.

Ultraäänen etenemisnopeuden mittaamiseksi betonissa ja muissa rakennusmateriaaleissa 80-luvulla valmistettiin ultraäänilaitteita UKB-1M, UK-10P, UK-10PM, UK-10PMS, UK-12P, UF-90PTs, Beton-5. , joita itsekin suositellaan.

Kuvassa 2.2.50 annetaan yleinen muoto laite UK-10PMS.

Riisi. 2.2.50. Ultraäänilaite UK-10PMS

Ultraäänen etenemisnopeuteen vaikuttavat tekijät betonissa

Kaikki materiaalit luonnossa voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään, jotka ovat suhteellisen homogeenisia ja joilla on suuri heterogeenisuus tai heterogeenisuus. Suhteellisen homogeenisia materiaaleja ovat materiaalit, kuten lasi, tislattu vesi ja muut materiaalit, joiden tiheys on vakio normaaleissa olosuhteissa ja ilman sulkeumia. Heille ultraäänen etenemisnopeus sisään normaaleissa olosuhteissa käytännössä vakio. Heterogeenisissa materiaaleissa, joihin kuuluu suurin osa rakennusmateriaaleista, mukaan lukien betoni, sisäinen rakenne, mikrohiukkasten ja suurten aineosien vuorovaikutus ei ole vakio sekä tilavuudeltaan että ajallisesti. Niiden rakenne sisältää mikro- ja makrohuokosia, halkeamia, jotka voivat olla kuivia tai täytetty vedellä.

Myös suurten ja pienten hiukkasten keskinäinen järjestely on epävakaa. Kaikki tämä johtaa siihen, että ultraäänen tiheys ja etenemisnopeus niissä eivät ole vakioita ja vaihtelevat laajalla alueella. Taulukossa. 2.2.2 näyttää joidenkin materiaalien tiheyden ρ ja ultraäänen etenemisnopeuden V arvot.

Seuraavaksi tarkastellaan, kuinka muutokset betonin parametreissa, kuten lujuus, koostumus ja karkean kiviaineksen tyyppi, sementin määrä, kosteus, lämpötila ja raudoituksen läsnäolo, vaikuttavat ultraäänen etenemisnopeuteen betonissa. Tämä tieto on tarpeen, jotta voidaan objektiivisesti arvioida mahdollisuutta testata betonin lujuutta ultraäänimenetelmällä sekä poistaa useita näiden tekijöiden muutokseen liittyviä ohjausvirheitä.

Vaikutus betonin lujuuteen

Kokeelliset tutkimukset osoittavat, että betonin lujuuden kasvaessa ultraäänen nopeus kasvaa.

Tämä selittyy sillä, että nopeuden arvo samoin kuin lujuuden arvo riippuu rakenteellisten sidosten tilasta.

Kuten käyrästöstä (kuva 2.2.51) nähdään, "nopeus-lujuus" -riippuvuus eri koostumusten betonille ei ole vakio, mistä seuraa, että lujuuden lisäksi muut tekijät vaikuttavat tähän riippuvuuteen.

Riisi. 2.2.51. Ultraääninopeuden V ja lujuuden R c välinen suhde erilaisilla koostumuksilla olevilla betoneilla

Valitettavasti jotkut tekijät vaikuttavat ultraäänen nopeuteen enemmän kuin vahvuuteen, mikä on yksi ultraäänimenetelmän vakavista haitoista.

Jos otamme betonin, jonka koostumus on vakio, ja muutamme lujuutta ottamalla käyttöön erilaisia ​​​​W / C, niin muiden tekijöiden vaikutus on vakio ja ultraäänen nopeus muuttuu vain betonin lujuudesta. Tässä tapauksessa "nopeus-vahvuus" -riippuvuus tulee selvemmäksi (kuva 2.2.52).

Riisi. 2.2.52. Riippuvuus "nopeus-lujuus" betonin vakiokoostumukselle, joka on saatu betoniteollisuudessa nro 1 Samarassa

Sementin tyypin ja merkin vaikutus

Vertaamalla betonien testaustuloksia tavallisella portlandsementillä ja muilla sementeillä voidaan päätellä, että mineralogisella koostumuksella on vain vähän vaikutusta "nopeus-lujuus" -riippuvuuteen. Suurin vaikutus on tja sementin jauhatuksen hienoudella. Tärkeämpi "nopeus-lujuus" -suhteeseen vaikuttava tekijä on sementin kulutus per 1 m 3 betonia, ts. hänen annoksensa. Kun betonin sementin määrä kasvaa, ultraäänen nopeus kasvaa hitaammin kuin betonin mekaaninen lujuus.

Tämä selittyy sillä, että betonin läpi kulkiessaan ultraääni etenee sekä karkeassa kiviaineksessa että kiviainesrakeita yhdistävässä laastiosassa, ja sen nopeus riippuu suuremmassa määrin etenemisnopeudesta karkeassa kiviaineksessa. Betonin lujuus riippuu kuitenkin pääasiassa laastikomponentin lujuudesta. Sementin määrän vaikutus betonin lujuuteen ja ultraäänenopeuteen on esitetty kuvassa. 2.2.53.

Riisi. 2.2.53. Sementin annoksen vaikutus riippuvuuteen

"nopeus-voima"

1 - 400 kg / m3; 2 - 350 kg/m3; 3 - 300 kg / m3; 4 - 250 kg / m3; 5 - 200 kg/m3

Vesi-sementtisuhteen vaikutus

W / C:n pienentyessä betonin tiheys ja lujuus kasvavat, vastaavasti, ultraäänen nopeus kasvaa. W / C:n kasvaessa havaitaan käänteinen suhde. Näin ollen W / C:n muutos ei aiheuta merkittäviä poikkeamia vahvistetussa riippuvuudessa "nopeus-lujuus. Siksi betonin lujuuden muuttamisen kalibrointikäyriä laadittaessa on suositeltavaa käyttää erilaisia ​​​​W / C-arvoja.

Näytä VaikutusJa karkean kiviaineksen määrä

Karkean täyteaineen tyypillä ja määrällä on merkittävä vaikutus "nopeus-lujuus" -riippuvuuden muutokseen. Ultraäänen nopeus kiviaineksessa, erityisesti kvartsissa, basaltissa, kovassa kalkkikivessä, graniitissa, on paljon suurempi kuin sen etenemisnopeus betonissa.

Myös karkean kiviaineksen tyyppi ja määrä vaikuttavat betonin lujuuteen. On yleisesti hyväksyttyä, että mitä vahvempi kiviaines on, sitä suurempi on betonin lujuus. Mutta joskus joudut käsittelemään tällaista ilmiötä, kun vähemmän kestävän, mutta karkean pinnan murskeen käyttö mahdollistaa suuremman Re-arvon omaavan betonin kuin käytettäessä kestävää soraa, mutta tasaisella pinnalla.

Pienellä murskeen kulutuksen muutoksella betonin lujuus muuttuu hieman. Samalla tällaisella karkean täyteaineen määrän muutoksella on suuri vaikutus ultraäänen nopeuteen.

Kun betoni kyllästyy murskeella, ultraääninopeuden arvo kasvaa. Karkean kiviaineksen tyyppi ja määrä vaikuttavat "nopeus-lujuus" -sidokseen enemmän kuin muut tekijät (kuvat 2.2.54 - 2.2.56)

Riisi. 2.2.54. Karkean aggregaatin läsnäolon vaikutus riippuvuuteen "nopeus-lujuus":

1 - sementtikivi; 2 - betoni, jonka kiviaineskoko on enintään 30 mm

Riisi. 2.2.55. Riippuvuus "nopeus-lujuus" betoneille, joilla on erilainen kiviaineksen hienous: 1-1 mm; 2-3 mm; 3-7 mm; 4-30mm

Riisi. 2.2.56. "Nopeus-lujuus" -riippuvuus betonille, jossa on täyteaine:

1-hiekkakivi; 2-kalkkikivi; 3-graniitti; 4-basaltti

Kaavioista voidaan nähdä, että murskeen määrän kasvu betonin tilavuusyksikköä kohti tai ultraääninopeuden lisääntyminen siinä johtaa ultraäänen nopeuden lisääntymiseen betonissa voimakkaammin kuin lujuus.

Kosteuden ja lämpötilan vaikutus

Betonin kosteus vaikuttaa moniselitteisesti sen lujuuteen ja ultraäänenopeuteen. Betonin kosteuspitoisuuden kasvaessa puristuslujuus laskee kiteiden välisten sidosten muutoksen vuoksi, mutta ultraäänen nopeus kasvaa, koska ilmahuokoset ja mikrohalkeamat täyttyvät vedellä, A nopeammin vedessä kuin ilmassa.

Betonin lämpötilalla alueella 5-40 ° C ei käytännössä ole vaikutusta lujuuteen ja nopeuteen, mutta kovetetun betonin lämpötilan nousu määritellyn alueen yli johtaa sen lujuuden ja nopeuden laskuun sisäisten osien lisääntymisen vuoksi. mikrohalkeamia.

Negatiivisissa lämpötiloissa ultraäänen nopeus kasvaa, koska sitoutumaton vesi muuttuu jääksi. Siksi ei ole suositeltavaa määrittää betonin lujuutta ultraäänimenetelmällä negatiivisessa lämpötilassa.

Ultraäänen leviäminen betonissa

Betoni on rakenteeltaan heterogeenista materiaalia, joka sisältää laastiosan ja karkean kiviaineksen. Laastiosa puolestaan ​​on kovettunutta sementtikiviä, jossa on kvartsihiekkahiukkasia.

Sementin, hiekan, murskeen ja veden välinen suhde vaihtelee betonin käyttötarkoituksesta ja lujuusominaisuuksista riippuen. Lujuuden varmistamisen lisäksi betonin koostumus riippuu teräsbetonituotteiden valmistustekniikasta. Esimerkiksi kasettivalmistustekniikalla vaaditaan betoniseoksen suurempaa plastisuutta, mikä saavutetaan lisääntyneellä sementin ja veden kulutuksella. Tässä tapauksessa betonin laastiosuus kasvaa.

Penkkiteknologiassa, erityisesti välittömässä kuorinnassa, käytetään jäykkiä seoksia, joiden sementin kulutus on pienempi.

Tässä tapauksessa karkean kiviaineksen suhteellinen tilavuus kasvaa. Näin ollen betonin samoilla lujuusominaisuuksilla sen koostumus voi vaihdella laajoissa rajoissa. Betonin rakenteen muodostumiseen vaikuttaa tuotteiden valmistustekniikka: betoniseoksen sekoituksen laatu, kuljetus, tiivistys, lämpö- ja kosteuskäsittely kovettumisen aikana. Tästä seuraa, että kovettuneen betonin ominaisuuksiin vaikuttaa suuri määrä tekijät, ja vaikutus on moniselitteinen ja satunnainen. Tämä selittää betonin suuren heterogeenisyyden sekä koostumuksessa että sen ominaisuuksissa. Betonin heterogeenisuus ja erilaiset ominaisuudet heijastuu myös sen akustisiin ominaisuuksiin.

Tällä hetkellä, lukuisista yrityksistä huolimatta, yhtenäistä järjestelmää ja teoriaa ultraäänen leviämisestä betonin läpi ei ole vielä kehitetty, mikä selittyy ) Ensinnäkin edellä mainittujen lukuisten tekijöiden läsnäolo, jotka vaikuttavat betonin lujuuteen ja akustisiin ominaisuuksiin eri tavoin. Tätä tilannetta pahentaa se tosiasia, että yleinen teoria ultraäänivärähtelyjen etenemisestä materiaalin läpi korkea tutkinto heterogeenisyyttä. Tämä on ainoa syy, miksi ultraäänen nopeus betonissa määräytyy homogeenisen materiaalin kaavan mukaan

missä L on ultraäänen kulkema polku, m (kanta);

t on tämän polun kulkuun käytetty aika, μs.

Tarkastellaan yksityiskohtaisemmin pulssiultraäänen leviämiskaaviota betonin läpi epähomogeenisen materiaalin läpi. Mutta ensin, rajoitamme aluetta, jolla päättelymme ovat päteviä, ottamalla huomioon betoniseoksen koostumus, joka on yleisin teräsbetonitehtaissa ja rakennustyömailla ja joka koostuu sementistä, jokihiekasta, karkeasta kiviaineksesta ja vedestä. Tässä tapauksessa oletetaan, että karkean kiviaineksen lujuus on suurempi kuin betonin lujuus. Tämä pätee käytettäessä karkeana kiviaineksena kalkkikiveä, marmoria, graniittia, dolomiittia ja muita kiviä, joiden lujuus on noin 40 MPa. Oletetaan ehdollisesti, että kovettunut betoni koostuu kahdesta komponentista: suhteellisen homogeenisesta laastiosasta, jonka tiheys on ρ ja nopeudella V, ja karkeasta kiviaineksesta, jonka ρ ja V .

Ottaen huomioon yllä olevat oletukset ja rajoitukset, kovettunutta betonia voidaan pitää kiinteänä väliaineena, jolla on akustinen impedanssi:

Tarkastellaan pää-ultraääniaallon etenemiskaaviota emitteristä 1 vastaanottimeen 2 kovettuneen betonin läpi, jonka paksuus on L (kuva 2.2.57).

Riisi. 2.2.57. Kaavio pään ultraääniaallon leviämisestä

betonissa:

1 - emitteri; 2 - vastaanotin; 3 - kontaktikerros; 4 - aallon eteneminen rakeissa; 5 - aallon eteneminen ratkaisuosassa

Pään ultraääniaalto emitteristä 1 tulee ensin kosketuskerrokseen 3, joka sijaitsee säteilevän pinnan ja betonin välissä. Kulkeakseen ultraääniaallon kontaktikerroksen läpi se on täytettävä johtavalla nesteellä tai voiteluaineella, jota käytetään useimmiten teknisenä vaseliinina. Kosketuskerroksen läpi kulkemisen jälkeen (ajassa t 0) ultraääniaalto heijastuu osittain sisään käänteinen suunta, ja loput menee betoniin. Mitä ohuempi kontaktikerros on aallonpituuteen verrattuna, sitä pienempi osa aallosta heijastuu.

Päästyään betonin paksuuteen, pääaalto alkaa levitä betonin laastiosassa emitterin halkaisijaa vastaavalla alueella. Tietyn matkan Δ ohituksen jälkeen l 1, ajan Δ jälkeen t 1 pääaalto tietyllä alueella kohtaa yhden tai useamman karkean aggregaatin rakeen, joka on osittain heijastunut niistä, ja suurin osa niistä menee rakeiden sisään ja alkaa levitä niissä. Rakeiden välillä aalto jatkaa etenemistä liuososan läpi.

Ottaen huomioon hyväksytyn ehdon, että ultraäänen nopeus karkeassa täyteaineessa on suurempi kuin laastiosassa, etäisyys d, joka on yhtä suuri kuin murskeen halkaisijan keskiarvo, rakeiden läpi nopeudella V etenevä aalto 2 ohittaa ensimmäisenä, ja laastiosan läpi kulkenut aalto viivästyy .

Kulkiessaan ensimmäisten karkeiden kiviainesrakeiden läpi aalto lähestyy rajapintaa laastiosan kanssa, heijastuu osittain ja menee osittain sisään. Tässä tapauksessa rakeita, joiden läpi pääaalto kulki, voidaan edelleen pitää ultraääniaaltosäteilyn alkeellisina pallomaisina lähteinä betonin laastiosaan, joihin voidaan soveltaa Huygensin periaatetta.

Kun liuoksen läpi on vierekkäisten rakeiden välinen vähimmäisetäisyys, pääaalto tulee niihin ja alkaa levitä niiden läpi muuttaen ne seuraaviksi peruslähteiksi. Siten ajan t jälkeen, ohitettuaan koko betonin L ja toisen kontaktikerroksen 3, pääaalto tulee vastaanottimeen 2, jossa se muunnetaan sähköiseksi signaaliksi.

Tarkastetusta kaaviosta seuraa, että pääaalto lähettimestä 1 vastaanottimeen 2 etenee karkeiden kiviainesrakeiden ja näitä rakeita yhdistävän laastiosan läpi kulkevaa reittiä pitkin, ja tämä polku määräytyy vähimmäisajan t ehdosta. .

Siksi aika t on

missä on aika, joka kuluu rakeita yhdistävän laastiosan läpikulkuun;

Aika, joka kuluu kulkeutumiseen rakeiden läpi. Ultraäänellä kulkema polku L on yhtä suuri kuin

missä: on kokonaisreitti, jonka pääaalto kulkee kranaatin osan läpi;

Pään aallon kulkema kokonaisreitti rakeiden läpi.

Kokonaisetäisyys L, jonka keula-aalto kulkee, voi olla suurempi kuin lähettimen ja vastaanottimen välinen geometrinen etäisyys, koska aalto etenee maksiminopeuden reittiä pitkin, ei pienintä geometristä etäisyyttä.

Ultraäänellä kontaktikerrosten läpi kulkemiseen kuluva aika on vähennettävä mitatusta kokonaisajasta.

Myös pääaaltoa seuraavat aallot etenevät maksiminopeuden polkua pitkin, mutta liikkeensä aikana kohtaavat heijastuneita aaltoja karkeiden kiviainesrakeiden ja laastiosan rajapinnalta. Jos rakeen halkaisija on yhtä pitkä kuin pituus aalto tai puolet siitä, silloin rakeen sisällä voi esiintyä akustista resonanssia. Häiriön ja resonanssin vaikutus voidaan havaita erikokoisen betonin läpi kulkeutuvien ultraääniaaltojen spektrianalyysissä.

Edellä kuvattu pulssiultraäänen pääaallon etenemiskaavio pätee vain betoneille, joilla on osan alussa esitetyt ominaisuudet, ts. ultraäänen mekaaninen lujuus ja etenemisnopeus materiaalissa, josta karkeat kiviainesrakeet saadaan, ylittävät betonin laastiosan lujuuden ja nopeuden. Tällaisia ​​ominaisuuksia omaa suurin osa teräsbetonitehtaissa ja rakennustyömailla käytetyistä betoneista, joissa käytetään kalkkikivestä, marmorista, graniitista valmistettua murskattua kiveä. Paisutettu savibeton, vaahtobetoni, tuffitäyteaineella varustettu betoni ultraäänen leviämiskaavio voi olla erilainen.

Tarkastelun kaavion pätevyys vahvistetaan kokein. Kuvasta siis. 2.2.54 on nähtävissä, että kun sementtiosaan lisätään tietty määrä murskattua kiveä, ultraäänen nopeus kasvaa betonin lujuuden lievällä nousulla (ja joskus myös laskulla).

Kuvassa 2.2.56 on havaittavissa, että ultraäänen nopeuden kasvaessa karkean kiviaineksen materiaalissa sen nopeus betonissa kasvaa.

Tämä kaavio selittää myös nopeuden kasvun betonissa, jossa on suurempia kiviaineksia (kuva 2.2.55), koska halkaisijan kasvaessa ultraäänen reitti kiviaineksen läpi pitenee.

Ehdotettu ultraäänen leviämisjärjestelmä mahdollistaa objektiivisen arvioinnin ultraäänimenetelmän kyvyt vikojen havaitsemiseen ja betonin lujuuden hallintaan.

Luku ultraäänidiagnostiikan käsikirjan osasta I, jonka ovat kirjoittaneet Venäjän lääketieteellisen jatkokoulutuksen akatemian ultraäänidiagnostiikan osaston työntekijät, toimittanut Mitkov V.V.

ULTRAÄÄNEN FYSIKAALISET OMINAISUUDET

Ultraäänen käyttö lääketieteellisessä diagnostiikassa liittyy mahdollisuuteen saada kuva sisäelimet ja rakenteet. Menetelmän perustana on ultraäänen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa. Itse kuvanhankinta voidaan jakaa kahteen osaan. Ensimmäinen on lyhyiden ultraäänipulssien säteilytys, joka kohdistuu tutkittaviin kudoksiin, ja toinen on kuvan muodostus heijastuneiden signaalien perusteella. Ultraäänidiagnostiikkayksikön toimintaperiaatteen ymmärtäminen, ultraäänen fysiikan perusteiden tuntemus ja sen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa auttavat välttämään laitteen mekaanista, ajattelematonta käyttöä ja siten lähestymään diagnostiikkaprosessia pätevämmin .

Ääni on mekaanista pitkittäinen aalto, jossa hiukkasten värähtelyt ovat samassa tasossa energian etenemissuunnan kanssa (kuva 1).

Riisi. 1. Ultraääniaallon paineen ja tiheyden muutosten visuaalinen ja graafinen esitys.

Aalto kuljettaa energiaa, mutta ei ainetta. Toisin kuin sähkömagneettiset aallot (valo, radioaallot jne.), ääni vaatii väliaineen leviämiseen - se ei voi levitä tyhjiössä. Kuten kaikki aallot, ääntä voidaan kuvata useilla parametreilla. Näitä ovat taajuus, aallonpituus, etenemisnopeus väliaineessa, jakso, amplitudi ja intensiteetti. Taajuuden, jakson, amplitudin ja intensiteetin määrää äänilähde, etenemisnopeus määräytyy väliaineen ja aallonpituuden määrää sekä äänilähde että väliaine. Taajuus on täydellisten värähtelyjen (jaksojen) lukumäärä 1 sekunnin aikana (kuva 2).

Riisi. 2. Ultraääniaaltotaajuus 2 jaksoa 1 s = 2 Hz

Taajuusyksiköt ovat hertsi (Hz) ja megahertsi (MHz). Yksi hertsi on yksi värähtely sekunnissa. Yksi megahertsi = 1000000 hertsiä. Mikä tekee äänestä "ultra"? Tämä on taajuus. Kuuluvan äänen yläraja - 20 000 Hz (20 kilohertsiä (kHz)) - on ultraäänialueen alaraja. Lepakoiden ultraäänipaikantimet toimivat alueella 25÷500 kHz. Nykyaikaisissa ultraäänilaitteissa kuvan saamiseksi käytetään ultraääntä, jonka taajuus on vähintään 2 MHz. Jakso on aika, joka tarvitaan yhden täydellisen värähtelyjakson saavuttamiseen (kuva 3).

Riisi. 3. Ultraääniaallon jakso.

Jakson yksiköt ovat sekuntia (s) ja mikrosekuntia (µs). Yksi mikrosekunti on sekunnin miljoonasosa. Jakso (µs) = 1/taajuus (MHz). Aallonpituus on pituus, jonka yksi värähtely vie avaruudessa (kuva 4).

Riisi. 4. Aallonpituus.

Mittayksiköt ovat metri (m) ja millimetri (mm). Ultraäänen etenemisnopeus on nopeus, jolla aalto kulkee väliaineen läpi. Ultraäänen etenemisnopeuden yksiköt ovat metri sekunnissa (m/s) ja millimetri per mikrosekunti (mm/µs). Ultraäänen etenemisnopeus määräytyy väliaineen tiheyden ja elastisuuden mukaan. Ultraäänen etenemisnopeus kasvaa elastisuuden lisääntyessä ja väliaineen tiheyden pienentyessä. Taulukossa 2.1 on esitetty ultraäänen etenemisnopeus joissakin ihmiskehon kudoksissa.

Ultraäänen keskimääräinen etenemisnopeus ihmiskehon kudoksissa on 1540 m/s - useimmat ultraäänidiagnostiikkalaitteet on ohjelmoitu tälle nopeudelle. Ultraäänen etenemisnopeus (C), taajuus (f) ja aallonpituus (λ) liittyvät toisiinsa seuraavalla yhtälöllä: C = f × λ. Koska tässä tapauksessa nopeutta pidetään vakiona (1540 m/s), loput kaksi muuttujaa f ja λ on kytketty toisiinsa käänteisesti verrannollisella suhteella. Mitä suurempi taajuus, sitä lyhyempi aallonpituus ja sitä pienempiä kohteita voimme nähdä. Toinen tärkeä väliaineen parametri on akustinen impedanssi (Z). Akustinen vastus on väliaineen tiheyden ja ultraäänen etenemisnopeuden tulo. Resistanssi (Z) = tiheys (p) × etenemisnopeus (C).

Ultraäänidiagnostiikan kuvan saamiseksi ei käytetä ultraääntä, jota anturi lähettää jatkuvasti (vakioaalto), vaan ultraääntä, joka lähetetään lyhyiden pulssien muodossa (pulssi). Se syntyy, kun pietsosähköiseen elementtiin kohdistetaan lyhyitä sähköimpulsseja. Pulssiultraäänen karakterisointiin käytetään lisäparametreja. Pulssin toistotaajuus on aikayksikössä (sekunnissa) lähetettyjen pulssien lukumäärä. Pulssin toistotaajuus mitataan hertseinä (Hz) ja kilohertseinä (kHz). Pulssin kesto on yhden pulssin aikajakso (kuva 5).

Riisi. 5. Ultraäänipulssin kesto.

Se mitataan sekunteina (s) ja mikrosekunteina (µs). Käyttöaste on se osa ajasta, jonka aikana ultraäänisäteily (pulssien muodossa) tapahtuu. Spatiaalinen pulssin pituus (STP) on sen tilan pituus, johon yksi ultraäänipulssi sijoitetaan (kuva 6).

Riisi. 6. Pulssin spatiaalinen laajeneminen.

Pehmytkudoksissa pulssin spatiaalinen pituus (mm) on yhtä suuri kuin 1,54 (ultraäänen etenemisnopeus mm/µs) ja värähtelyjen (jaksojen) määrä pulssia kohti (n) jaettuna taajuudella MHz. Tai PPI = 1,54 × n/f. Pulssin spatiaalisen pituuden pieneneminen voidaan saavuttaa (ja tämä on erittäin tärkeää aksiaalisen resoluution parantamiseksi) vähentämällä pulssin värähtelyjen määrää tai lisäämällä taajuutta. Ultraääniaallon amplitudi on havaitun fyysisen muuttujan suurin poikkeama keskiarvosta (kuva 7).

Riisi. 7. Ultraääniaallon amplitudi

Ultraäänen intensiteetti on aallon tehon suhde alueeseen, jolle ultraäänivirtaus jakautuu. Se mitataan watteina neliösenttimetriä kohti (W/cm2). Samalla säteilyteholla, mitä pienempi vuon pinta-ala, sitä suurempi intensiteetti. Intensiteetti on myös verrannollinen amplitudin neliöön. Siten, jos amplitudi kaksinkertaistuu, intensiteetti nelinkertaistuu. Voimakkuus on epätasainen sekä virtauksen alueella että pulssiultraäänen tapauksessa ajan myötä.

Kun kuljetetaan minkä tahansa väliaineen läpi, ultraäänisignaalin amplitudi ja intensiteetti vähenevät, jota kutsutaan vaimenemiseksi. Ultraäänisignaalin vaimennus johtuu absorptiosta, heijastuksesta ja sironnasta. Vaimennusyksikkö on desibeli (dB). Vaimennuskerroin on ultraäänisignaalin vaimennus tämän signaalin reitin pituuden yksikköä kohden (dB/cm). Vaimennuskerroin kasvaa taajuuden kasvaessa. Taulukossa 2.2 on esitetty pehmytkudosten keskimääräiset vaimennuskertoimet ja kaikusignaalin intensiteetin lasku taajuudesta riippuen.

HEIJASTOINTI JA SIJOITUS

Kun ultraääni kulkee kudosten läpi väliaineen rajalla, jolla on erilainen akustinen vastus ja ultraäänen nopeus, tapahtuu heijastus-, taittumis-, sironta- ja absorptioilmiöitä. Kulmasta riippuen puhutaan ultraäänisäteen kohtisuorasta ja vinosta (kulmassa) osumisesta. Kun ultraäänisäde on kohtisuorassa, se voidaan heijastua kokonaan tai osittain, kulkea osittain kahden väliaineen rajan läpi; tässä tapauksessa väliaineesta toiseen siirtyvän ultraäänen suunta ei muutu (kuva 8).

Riisi. 8. Ultraäänisäteen tulo kohtisuorassa.

Heijastuneen ultraäänen ja väliaineen rajan läpi kulkeneen ultraäänen intensiteetti riippuu alkuintensiteetistä ja väliaineen akustisten impedanssien erosta. Heijastuneen aallon intensiteetin suhdetta tulevan aallon intensiteettiin kutsutaan heijastuskertoimeksi. Väliaineen rajan läpi kulkeneen ultraääniaallon intensiteetin suhdetta tulevan aallon intensiteettiin kutsutaan ultraäänen johtavuuskertoimeksi. Siten, jos kudoksilla on eri tiheydet, mutta sama akustinen impedanssi, ultraääni ei heijastu. Toisaalta akustisten impedanssien suurella erolla heijastuksen intensiteetti on yleensä 100 %. Esimerkki tästä on ilman ja pehmytkudosten rajapinta. Ultraäänen lähes täydellinen heijastus tapahtuu näiden välineiden rajalla. Ultraäänen johtumisen parantamiseksi ihmiskehon kudoksissa käytetään yhdistävää väliainetta (geeliä). Ultraäänisäteen vinossa tulokulmassa määritetään tulokulma, heijastuskulma ja taitekulma (kuva 9).

Riisi. 9. Heijastus, taittuminen.

Tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Taittuminen on muutos ultraäänisäteen etenemissuunnassa, kun se ylittää väliaineen rajan eri ultraäänenopeuksilla. Taitekulman sini on yhtä suuri kuin tulokulman sinin tulo arvolla, joka saadaan jakamalla ultraäänen etenemisnopeus toisessa väliaineessa ensimmäisen nopeudella. Taitekulman sini ja siten itse taittumiskulma, mitä suurempi, sitä suurempi on ero ultraäänen etenemisnopeuksissa kahdessa väliaineessa. Taittumista ei havaita, jos ultraäänen etenemisnopeudet kahdessa väliaineessa ovat yhtä suuret tai tulokulma on 0. Heijastamisesta puhuttaessa on pidettävä mielessä, että siinä tapauksessa, että aallonpituus on paljon suurempi kuin epäsäännöllisyyksien mitat heijastavan pinnan peiliheijastus tapahtuu (kuvattu yllä). Jos aallonpituus on verrattavissa heijastavan pinnan epäsäännöllisyyksiin tai itse väliaineessa on epähomogeenisuutta, tapahtuu ultraäänen sirontaa.

Riisi. 10. Takaisinsironta.

Takaisinsironnalla (kuva 10) ultraääni heijastuu siihen suuntaan, josta alkuperäinen säde tuli. Sironneiden signaalien intensiteetti kasvaa väliaineen epähomogeenisuuden kasvaessa ja ultraäänen taajuuden kasvaessa (eli aallonpituuden pienentyessä). Sironta riippuu suhteellisen vähän tulevan säteen suunnasta ja mahdollistaa siten heijastavien pintojen paremman visualisoinnin, puhumattakaan elimen parenkyymistä. Jotta heijastunut signaali sijoittuisi oikein näytölle, on välttämätöntä tietää lähetetyn signaalin suunnan lisäksi myös etäisyys heijastimeen. Tämä etäisyys on 1/2 väliaineessa olevan ultraäänen nopeuden ja heijastuneen signaalin lähettämisen ja vastaanoton välisen ajan tulosta (kuva 11). Nopeuden ja ajan tulo jaetaan puoliksi, koska ultraääni kulkee kaksinkertaista polkua (emitteristä heijastimeen ja takaisin), ja meitä kiinnostaa vain etäisyys emitterista heijastimeen.

Riisi. 11. Etäisyyden mittaus ultraäänellä.

Anturit ja ultraääniaalto.

Ultraäänen saamiseksi käytetään erityisiä muuntimia, jotka muuttavat sähköenergian ultraäänienergiaksi. Ultraäänen tuotanto perustuu käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen. Vaikutuksen ydin on, että jos tiettyihin materiaaleihin (pietsosähköihin) kohdistetaan sähköjännite, niiden muoto muuttuu (kuva 12).

Riisi. 12. Käänteinen pietsosähköinen vaikutus.

Tätä tarkoitusta varten ultraäänilaitteissa käytetään useimmiten keinotekoisia pietsosähköisiä materiaaleja, kuten lyijyzirkonaattia tai lyijytitanaattia. Sähkövirran puuttuessa pietsosähköinen elementti palaa alkuperäiseen muotoonsa, ja kun napaisuus muuttuu, muoto muuttuu jälleen, mutta päinvastaiseen suuntaan. Jos pietsosähköiseen elementtiin kohdistetaan nopea vaihtovirta, elementti alkaa supistua ja laajentua (eli värähtelee) suurella taajuudella, jolloin syntyy ultraäänikenttä. Anturin toimintataajuus (resonanssitaajuus) määräytyy pietsosähköisessä elementissä olevan ultraäänen etenemisnopeuden suhteesta tämän pietsosähköisen elementin kaksinkertaiseen paksuuteen. Heijastuneiden signaalien havaitseminen perustuu suoraan pietsosähköiseen vaikutukseen (kuva 13).

Riisi. 13. Suora pietsosähköinen vaikutus.

Paluusignaalit aiheuttavat pietsosähköisen elementin värähtelyjä ja vaihtosähkövirran ilmaantumista sen pinnoille. Tässä tapauksessa pietsoelementti toimii ultraäänianturina. Yleensä samoja elementtejä käytetään ultraäänilaitteissa ultraäänen lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Siksi termit "muunnin", "muunnin", "anturi" ovat synonyymejä. Ultraäänianturit ovat monimutkaisia ​​laitteita, ja kuvan skannaustavasta riippuen ne jaetaan antureiksi hitaille skannauslaitteille (yksi elementti) ja nopea skannaus(skannaus reaaliajassa) - mekaaninen ja elektroninen. Mekaaniset anturit voivat olla yksi- ja monielementtisiä (rengasmaisia). Ultraäänisäteen pyyhkäisy voidaan saavuttaa heiluttamalla elementtiä, pyörittämällä elementtiä tai heiluttamalla akustista peiliä (kuva 14).

Riisi. 14. Mekaanisen sektorin anturit.

Näytöllä oleva kuva on tässä tapauksessa sektorin (sektorianturit) tai ympyrän (pyöreät anturit) muotoinen. Elektroniset anturit ovat monielementtisiä ja ne voivat muodostuvan kuvan muodosta riippuen olla sektori-, lineaarisia, kupera (kupera) (kuva 15).

Riisi. 15. Elektroniset monielementtiset anturit.

Kuvan pyyhkäisy sektorisensorissa saavutetaan heiluttamalla ultraäänisädettä sen samanaikaisella tarkennuksella (kuva 16).

Riisi. 16. Elektroninen sektorianturi vaiheantennilla.

Lineaarisissa ja kuperaantureissa kuvan pyyhkäisy saadaan aikaan herättämällä elementtiryhmä niiden askel askeleelta liikkeellä antenniryhmää pitkin samanaikaisesti tarkentamalla (kuva 17).

Riisi. 17. Elektroninen lineaarinen anturi.

Ultraäänianturit eroavat yksityiskohdista toisistaan, mutta niiden piirikaavio näkyy kuvassa 18.

Riisi. 18. Ultraäänianturilaite.

Levymäinen yksielementtianturi tuottaa jatkuvassa emissiotilassa ultraäänikentän, jonka muoto muuttuu etäisyyden mukaan (kuva 19).

Riisi. 19. Tarkentamattoman anturin kaksi kenttää.

Joskus voidaan havaita ylimääräisiä ultraääni "virtoja", joita kutsutaan sivulohkoiksi. Etäisyyttä levystä lähikentän (vyöhykkeen) pituuteen kutsutaan lähivyöhykkeeksi. Läheisen rajan takana olevaa vyöhykettä kutsutaan kaukaiseksi. Lähialueen pituus on yhtä suuri kuin anturin halkaisijan neliön suhde 4 aallonpituuteen. Kaukoalueella ultraäänikentän halkaisija kasvaa. Ultraäänisäteen suurimman kaventumisen paikkaa kutsutaan tarkennusalueeksi ja anturin ja tarkennusalueen välistä etäisyyttä polttoväliksi. Olla olemassa eri tavoilla ultraäänisäteen tarkennus. Suurin osa yksinkertaisella tavalla tarkennus on akustinen linssi (kuva 20).

Riisi. 20. Tarkennus akustisella linssillä.

Sen avulla on mahdollista kohdistaa ultraäänisäde tiettyyn syvyyteen, joka riippuu linssin kaarevuudesta. Tämä tarkennusmenetelmä ei salli polttovälin nopeaa vaihtamista, mikä on hankalaa käytännön työ. Toinen tapa tarkentaa on käyttää akustista peiliä (kuva 21).

Riisi. 21. Tarkennus akustisella peilillä.

Tässä tapauksessa muuttamalla peilin ja anturin välistä etäisyyttä, muutamme polttoväliä. Nykyaikaisissa laitteissa, joissa on monielementtiset elektroniset anturit, tarkennus perustuu elektroniseen tarkennukseen (kuva 17). Elektronisella tarkennusjärjestelmällä voimme muuttaa polttoväliä kojetaulusta, mutta jokaista kuvaa kohden meillä on vain yksi tarkennusalue. Koska kuvan saamiseen käytetään erittäin lyhyitä ultraäänipulsseja, jotka lähetetään 1000 kertaa sekunnissa (pulssin toistotaajuus 1 kHz), laite toimii kaikuvastaanottimena 99,9 % ajasta. Tällaisella aikamarginaalilla laite voidaan ohjelmoida siten, että lähitarkennusalue (kuva 22) valittiin ensimmäisen kuvanoton yhteydessä ja tältä vyöhykkeeltä saatu tieto tallennettiin.

Riisi. 22. Dynaaminen tarkennusmenetelmä.

Lisäksi - seuraavan tarkennusalueen valinta, tiedon hankkiminen, tallennus. Ja niin edelleen. Tuloksena on yhdistelmäkuva, joka on tarkennettu koko syvyyteen. On kuitenkin huomattava, että tämä tarkennusmenetelmä vaatii huomattavan paljon aikaa yhden kuvan (kehyksen) saamiseksi, mikä aiheuttaa kuvanopeuden laskun ja kuvan välkkymisen. Miksi ultraäänisäteen tarkentamiseen panostetaan niin paljon? Tosiasia on, että mitä kapeampi säde, sitä parempi lateraalinen (sivusuuntainen, atsimuutti) resoluutio. Sivuresoluutio on pienin etäisyys kahden kohteen välillä, jotka sijaitsevat kohtisuorassa energian etenemissuuntaa vastaan ​​ja jotka esitetään monitorinäytöllä erillisinä rakenteina (kuva 23).

Riisi. 23. Dynaaminen tarkennusmenetelmä.

Sivuresoluutio on yhtä suuri kuin ultraäänisäteen halkaisija. Aksiaalinen resoluutio on pienin etäisyys kahden energian etenemissuunnassa sijaitsevan kohteen välillä, jotka esitetään monitorinäytöllä erillisinä rakenteina (kuva 24).

Riisi. 24. Aksiaalinen resoluutio: mitä lyhyempi ultraäänipulssi, sitä parempi se on.

Aksiaalinen resoluutio riippuu ultraäänipulssin avaruudellisesta laajuudesta - mitä lyhyempi pulssi, sitä parempi resoluutio. Pulssin lyhentämiseen käytetään sekä mekaanista että elektronista ultraäänivärähtelyn vaimennusta. Yleensä aksiaalinen resoluutio on parempi kuin lateraalinen.

HITAASTI SKANNAVAT LAITTEET

Tällä hetkellä hitaat (manuaaliset, monimutkaiset) skannauslaitteet ovat vain historiallisia. Moraalisesti he kuolivat nopeiden skannauslaitteiden (reaaliajassa toimivien laitteiden) myötä. Niiden pääkomponentit säilyvät kuitenkin myös nykyaikaisissa laitteissa (luonnollisesti modernia elementtipohjaa käyttäen). Sydän on tärkein pulssigeneraattori (nykyaikaisissa laitteissa - tehokas prosessori), joka ohjaa kaikkia ultraäänilaitteen järjestelmiä (kuva 25).

Riisi. 25. Kädessä pidettävän skannerin lohkokaavio.

Pulssigeneraattori lähettää sähköisiä impulsseja muuntimeen, joka tuottaa ultraäänipulssin ja lähettää sen kudokseen, vastaanottaa heijastuneet signaalit ja muuntaa ne sähköisiksi värähtelyiksi. Nämä sähköiset värähtelyt lähetetään sitten radiotaajuusvahvistimeen, joka on yleensä kytketty aika-amplitudivahvistussäätimeen (TAGU) - syvään kudosabsorption kompensointisäätimeen. Koska ultraäänisignaalin vaimennus kudoksissa tapahtuu eksponentiaalisen lain mukaan, näytöllä olevien kohteiden kirkkaus vähenee asteittain syvyyden kasvaessa (kuva 26).

Riisi. 26. Kudosabsorption kompensointi.

Käyttämällä lineaarista vahvistinta, ts. kaikki signaalit suhteellisesti vahvistava vahvistin ylivahvistaisi signaaleja anturin välittömässä läheisyydessä yrittäessään parantaa syvien kohteiden visualisointia. Logaritmisen vahvistimen käyttö ratkaisee tämän ongelman. Ultraäänisignaali vahvistetaan suhteessa sen paluuviiveeseen - mitä myöhemmin se palasi, sitä voimakkaampi vahvistus on. Siten TVG:n käyttö mahdollistaa saman kirkkauden kuvan saamisen ruudulle syvälle. Tällä tavalla vahvistettu radiotaajuinen sähköinen signaali syötetään sitten demodulaattoriin, jossa se tasasuunnataan ja suodatetaan, ja taas videovahvistimella vahvistettuna syötetään monitorin näyttöön.

Kuvan tallentamiseksi näyttöruudulle tarvitaan videomuisti. Se voidaan jakaa analogiseen ja digitaaliseen. Ensimmäiset monitorit mahdollistivat tietojen esittämisen analogisessa bistabiilissa muodossa. Diskriminaattoriksi kutsuttu laite mahdollisti erottelukynnyksen muuttamisen - signaalit, joiden voimakkuus oli alle erottelukynnyksen, eivät kulkeneet sen läpi ja näytön vastaavat osat pysyivät tummina. Signaalit, joiden intensiteetti ylitti erottelukynnyksen, esitettiin näytöllä valkoisina pisteinä. Tässä tapauksessa pisteiden kirkkaus ei riipu heijastuneen signaalin intensiteetin absoluuttisesta arvosta - kaikilla valkoisilla pisteillä oli sama kirkkaus. Tällä kuvanesitysmenetelmällä - sitä kutsuttiin "bistabiliksi" - korkean heijastavuuden omaavien elinten ja rakenteiden (esimerkiksi munuaisten poskiontelo) rajat olivat selvästi näkyvissä, mutta parenkymaalisten elinten rakennetta ei ollut mahdollista arvioida. 70-luvulla ilmestyi laitteita, jotka mahdollistivat harmaan sävyjen siirtämisen näyttöruudulle, merkitsi harmaasävylaitteiden aikakauden alkua. Nämä laitteet mahdollistivat sellaisten tietojen saamisen, joita ei ollut saavutettavissa bistabiilin kuvan omaavilla laitteilla. Tietotekniikan ja mikroelektroniikan kehitys mahdollisti pian siirtymisen analogisista kuvista digitaalisiin. Ultraäänilaitteissa digitaaliset kuvat muodostetaan suurille matriiseille (yleensä 512 × 512 pikseliä), joiden harmaasävy on 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bittiä). Kun renderöidään 20 cm:n syvyyteen 512 × 512 pikselin matriisissa, yksi pikseli vastaa 0,4 mm:n lineaarista mittaa. Nykyaikaisissa laitteissa on taipumus kasvattaa näyttöjen kokoa ilman kuvanlaadun heikkenemistä, ja keskitason instrumenteissa 12 tuuman (30 cm) näytöt ovat yleistymässä.

Ultraäänilaitteen (näyttö, näyttö) katodisädeputki käyttää terävästi fokusoitua elektronisädettä tuottamaan kirkkaan täplän näytölle, joka on päällystetty erityisellä loisteaineella. Taittolevyjen avulla tätä kohtaa voidaan siirtää näytön ympärillä.

klo Tyyppi pyyhkäisy (amplitudi) yhdelle akselille piirretään etäisyys anturista, toiselle - heijastuneen signaalin intensiteetti (kuva 27).

Riisi. 27. A-tyypin signaalinpyyhkäisy.

Nykyaikaisissa instrumenteissa A-tyypin pyyhkäisyä ei käytännössä käytetä.

B-tyyppinen skannaus (kirkkaus - kirkkaus) antaa sinun saada tietoa skannausviivaa pitkin heijastuneiden signaalien voimakkuudesta tämän viivan muodostavien yksittäisten pisteiden kirkkauden eron muodossa.

Näytön esimerkki: vasen pyyhkäisy B, oikealla - M ja kardiogrammi.

M-tyyppinen(joskus TM) sweep (Motion - liike) mahdollistaa heijastavien rakenteiden liikkeen (liikkeen) rekisteröinnin ajassa. Tässä tapauksessa heijastavien rakenteiden pystysuuntaiset siirtymät kirjataan eri kirkkauspisteiden muodossa ja vaakasuunnassa - näiden pisteiden sijainnin siirtymä ajassa (kuva 28).

Riisi. 28. M-tyyppinen lakaisukone.

Kaksiulotteisen tomografisen kuvan saamiseksi on tarpeen tavalla tai toisella siirtää skannausviivaa skannaustasoa pitkin. Hitaissa skannauslaitteissa tämä saavutettiin siirtämällä anturia manuaalisesti potilaan kehon pintaa pitkin.

NOPEA SKANNAUSLAITTEET

Nopeat skannerit tai, kuten niitä yleisemmin kutsutaan, reaaliaikaiset skannerit, ovat nyt täysin korvanneet hitaat tai manuaaliset skannerit. Tämä johtuu useista eduista, joita näillä laitteilla on: kyky arvioida elinten ja rakenteiden liikettä reaaliajassa (eli lähes samalla ajanhetkellä); tutkimukseen käytetyn ajan jyrkkä väheneminen; kyky suorittaa tutkimusta pienten akustisten ikkunoiden kautta.

Jos hitaita skannauslaitteita voidaan verrata kameraan (pysäytyskuvien saamiseen), niin reaaliaikaisia ​​laitteita voidaan verrata elokuvateatteriin, jossa still-kuvat (kehykset) korvaavat toisiaan suurella taajuudella luoden vaikutelman liikkeestä.

Nopeissa skannauslaitteissa, kuten edellä mainittiin, käytetään mekaanisia ja elektronisia sektoriantureita, elektronisia lineaarisia antureita, elektronisia kuperia (kuperia) antureita ja mekaanisia radiaaliantureita.

Jokin aika sitten puolisuunnikkaan muotoisia antureita ilmestyi useisiin laitteisiin, joiden näkökenttä oli puolisuunnikkaan muotoinen, mutta niillä ei kuitenkaan ollut etuja kupereihin antureisiin verrattuna, mutta niillä itsellään oli useita haittoja.

Tällä hetkellä paras anturi vatsaontelon, retroperitoneaalitilan ja pienen lantion elinten tutkimiseen on kupera. Siinä on suhteellisen pieni kosketuspinta ja erittäin suuri näkökenttä keski- ja kaukovyöhykkeillä, mikä yksinkertaistaa ja nopeuttaa tutkimusta.

Ultraäänisäteellä skannattaessa jokaisen säteen täydellisen läpäisyn tulosta kutsutaan kehykseksi. Kehys muodostuu suuresta määrästä pystyviivoja (kuva 29).

Riisi. 29. Kuvanmuodostus erillisillä riveillä.

Jokainen linja on vähintään yksi ultraäänipulssi. Pulssin toistotaajuus harmaasävykuvan saamiseksi nykyaikaisissa instrumenteissa on 1 kHz (1000 pulssia sekunnissa).

Pulssin toistonopeuden (PRF), kehyksen muodostavien juovien lukumäärän ja aikayksikköä kohti olevien kehysten lukumäärän välillä on suhde: PRF = rivien määrä × kuvataajuus.

Näyttöruudulla tuloksena olevan kuvan laatu määräytyy erityisesti viivan tiheyden mukaan. Lineaarisen anturin viivatiheys (viivaa/cm) on kehyksen muodostavien viivojen lukumäärän suhde sen näytön osan leveyteen, jolle kuva muodostetaan.

Sektorityyppiselle anturille viivatiheys (viivaa/aste) on kehyksen muodostavien juovien lukumäärän suhde sektorin kulmaan.

Mitä korkeampi laitteeseen asetettu kuvataajuus, sitä (tietyllä pulssin toistotaajuudella) pienempi numero kehyksen muodostavat viivat, viivojen tiheys näyttöruudulla on pienempi, tuloksena olevan kuvan laatu on alhaisempi. Mutta suurella kuvanopeudella meillä on hyvä ajallinen resoluutio, mikä on erittäin tärkeää kaikukardiografisissa tutkimuksissa.

DOPPLEROGRAFIALAITTEET

Ultraäänitutkimusmenetelmä mahdollistaa paitsi tiedon saamisen elinten ja kudosten rakenteellisesta tilasta, myös verisuonten virtausten karakterisoinnista. Tämä kyky perustuu Doppler-ilmiöön - vastaanotetun äänen taajuuden muutokseen, kun se liikkuu suhteessa äänen lähteen tai vastaanottimen välineeseen tai ääntä sirottavaan kappaleeseen. Se havaitaan johtuen siitä, että ultraäänen etenemisnopeus missä tahansa homogeenisessa väliaineessa on vakio. Siksi, jos äänilähde liikkuu tasaisella nopeudella, liikkeen suunnassa lähetetyt ääniaallot näyttävät kompressoituvan, mikä lisää äänen taajuutta. Aallot säteilivät vastakkaiseen suuntaan, ikään kuin venytettyinä, aiheuttaen äänen taajuuden laskun (kuva 30).

Riisi. 30. Doppler-ilmiö.

Vertaamalla alkuperäistä ultraäänen taajuutta modifioituun on mahdollista määrittää Doller-siirtymä ja laskea nopeus. Sillä ei ole väliä, lähettääkö äänen liikkuva esine vai heijastaako esine ääniaaltoja. Toisessa tapauksessa ultraäänilähde voi olla paikallaan (ultraäänianturi), ja liikkuvat punasolut voivat toimia ultraääniaaltojen heijastimena. Doppler-siirtymä voi olla joko positiivinen (jos heijastin liikkuu kohti äänilähdettä) tai negatiivinen (jos heijastin siirtyy pois äänilähteestä). Jos ultraäänisäteen tulosuunta ei ole yhdensuuntainen heijastimen liikesuunnan kanssa, Doppler-siirtymä on korjattava tulevan säteen ja heijastimen liikesuunnan välisen kulman q kosinilla. heijastin (kuva 31).

Riisi. 31. Tulevan säteen ja veren virtaussuunnan välinen kulma.

Doppler-tietojen saamiseksi käytetään kahden tyyppisiä laitteita - vakioaalto- ja pulssilaitteita. Jatkuvaaaltoisessa Doppler-instrumentissa anturi koostuu kahdesta muuntimesta: toinen niistä lähettää jatkuvasti ultraääntä, toinen vastaanottaa jatkuvasti heijastuneita signaaleja. Vastaanotin määrittää Doppler-siirtymän, joka on tyypillisesti -1/1000 ultraäänilähteen taajuudesta (äänialue) ja lähettää signaalin kaiuttimiin ja rinnakkain monitoriin aaltomuodon kvalitatiivista ja kvantitatiivista arviointia varten. Vakioaaltolaitteet havaitsevat verenvirtauksen lähes koko ultraäänisäteen reitillä, eli niillä on suuri ohjaustilavuus. Tämä voi aiheuttaa riittämättömien tietojen saamisen, kun useita astioita tulee kontrollitilavuuteen. Suuri kontrollitilavuus on kuitenkin hyödyllinen laskettaessa paineen laskua läppästenoosissa.

Verenvirtauksen arvioimiseksi tietyllä alueella on tarpeen sijoittaa kontrollitilavuus tutkittavalle alueelle (esimerkiksi tietyn suonen sisälle) visuaalisen valvonnan alaisena monitorin näytöllä. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä pulssilaitetta. Doppler-siirtymällä on yläraja, joka voidaan havaita pulssiinstrumenteilla (kutsutaan joskus Nyquistin rajaksi). Se on noin 1/2 pulssin toistotaajuudesta. Kun se ylittyy, Doppler-spektri vääristyy (aliasoituu). Mitä suurempi pulssin toistotaajuus, sitä suurempi Doppler-siirtymä voidaan määrittää ilman vääristymiä, mutta sitä pienempi instrumentin herkkyys hitaille virtauksille.

Koska kudoksiin suunnatut ultraäänipulssit sisältävät suuren joukon taajuuksia päätaajuuksien lisäksi, ja myös siitä, että virtauksen yksittäisten osien nopeudet eivät ole samat, heijastunut pulssi koostuu suuresta useita eri taajuuksia (kuva 32).

Riisi. 32. Ultraäänipulssin spektrin kuvaaja.

Nopean Fourier-muunnoksen avulla pulssin taajuuskoostumus voidaan esittää spektrinä, joka voidaan näyttää monitorin näytöllä käyränä, jossa Doppler-siirtotaajuudet piirretään vaakasuunnassa ja kunkin komponentin amplitudi piirretään pystysuunnassa. Doppler-spektristä on mahdollista määrittää suuri määrä verenvirtauksen nopeusparametreja (maksiminopeus, nopeus diastolin lopussa, keskinopeus jne.), mutta nämä indikaattorit ovat kulmasta riippuvaisia ​​ja niiden tarkkuus riippuu suuresti kulman korjauksen tarkkuus. Ja jos suurissa ei-kierteisissä suonissa kulman korjaus ei aiheuta ongelmia, niin pienissä mutkaisissa suonissa (kasvainsuonissa) on melko vaikea määrittää virtauksen suunta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu useita lähes hiilestä riippumattomia indeksejä, joista yleisimmät ovat vastusindeksi ja pulsaatioindeksi. Vastusindeksi on enimmäis- ja miniminopeuksien eron suhde maksimivirtausnopeuteen (kuva 33). Pulsaatioindeksi on maksimi- ja miniminopeuksien eron suhde keskimääräiseen virtausnopeuteen.

Riisi. 33. Vastusindeksin ja pulsaattoriindeksin laskenta.

Doppler-spektrin saaminen yhdestä kontrollitilavuudesta mahdollistaa verenkierron arvioinnin hyvin pienellä alueella. Värivirtakuvaus (Color Doppler) tarjoaa reaaliaikaista 2D-virtaustietoa perinteisen 2D-harmaasävykuvauksen lisäksi. Väri-Doppler-kuvaus laajentaa kuvanoton pulssiperiaatteen mahdollisuuksia. Kiinteistä rakenteista heijastuvat signaalit tunnistetaan ja esitetään harmaasävyinä. Jos heijastuneen signaalin taajuus eroaa lähetetystä signaalista, se tarkoittaa, että se heijastui liikkuvasta kohteesta. Tässä tapauksessa määritetään Doppler-siirtymä, sen etumerkki ja keskinopeuden arvo. Näitä parametreja käytetään värin, sen kylläisyyden ja kirkkauden määrittämiseen. Tyypillisesti virtaussuunta anturin suuntaan on koodattu punaisella ja poispäin anturista sinisellä. Värin kirkkaus määräytyy virtausnopeuden mukaan.

SISÄÄN viime vuodet väri-Doppler-kartoituksen muunnelma ilmestyi, nimeltään "teho-Doppler" (Power Doppler). Teho-Dopplerilla ei määritetä heijastuneen signaalin Doppler-siirtymän arvoa, vaan sen energiaa. Tämä lähestymistapa mahdollistaa menetelmän herkkyyden lisäämisen pienille nopeuksille ja sen tekemisen lähes kulmasta riippumattomaksi, vaikkakin menetetään kyky määrittää virtauksen nopeuden ja suunnan itseisarvo.

ARTIFAKTIT

Ultraäänidiagnostiikan artefakti on olemattomien rakenteiden esiintyminen kuvassa, olemassa olevien rakenteiden puuttuminen, rakenteiden väärä sijainti, rakenteiden väärä kirkkaus, väärät rakenteiden ääriviivat, väärät rakenteiden koot. Jälkikaiunta, yksi yleisimmistä artefakteista, tapahtuu, kun ultraäänipulssi osuu kahden tai useamman heijastavan pinnan väliin. Tällöin osa ultraäänipulssin energiasta heijastuu toistuvasti näiltä pinnoilta ja palaa joka kerta osittain anturiin säännöllisin väliajoin (kuva 34).

Riisi. 34. Kaiku.

Tämän seurauksena näyttöruudulle tulee olemattomia heijastavia pintoja, jotka sijaitsevat toisen heijastimen takana etäisyydellä, joka on yhtä suuri kuin ensimmäisen ja toisen heijastimen välinen etäisyys. Joskus on mahdollista vähentää jälkikaiunta muuttamalla anturin asentoa. Kaiun muunnelma on artefakti nimeltä "komeetan häntä". Se havaitaan, kun ultraääni aiheuttaa kohteen luonnollisia värähtelyjä. Tämä artefakti havaitaan usein pienten kaasukuplien tai pienten metalliesineiden takana. Koska koko heijastunut signaali ei aina palaa anturiin (kuva 35), syntyy tehokkaan heijastavan pinnan artefakti, joka on pienempi kuin todellinen heijastava pinta.

Riisi. 35. Tehokas heijastava pinta.

Tämän artefaktin vuoksi ultraäänellä määritetyt hammaskiven koot ovat yleensä hieman pienempiä kuin todelliset. Taittuminen voi aiheuttaa kohteen väärän sijainnin tuloksena olevassa kuvassa (kuva 36).

Riisi. 36. Tehokas heijastava pinta.

Siinä tapauksessa, että ultraäänen reitti anturista heijastavaan rakenteeseen ja takaisin ei ole sama, tuloksena olevassa kuvassa tapahtuu kohteen väärä sijainti. Peiliartefaktit ovat esineen ulkonäkö, joka sijaitsee vahvan heijastimen toisella puolella (kuva 37).

Riisi. 37. Peili artefakti.

Spekulaariset esineet esiintyvät usein aukon lähellä.

Akustinen varjoartefaktti (kuva 38) esiintyy ultraääntä voimakkaasti heijastavien tai voimakkaasti absorboivien rakenteiden takana. Akustisen varjon muodostumismekanismi on samanlainen kuin optisen varjon.

Riisi. 38. Akustinen varjo.

Distaalisen signaalin vahvistuksen artefakti (kuva 39) esiintyy ultraääntä heikosti absorboivien rakenteiden takana (nestemäiset, nestettä sisältävät muodostelmat).

Riisi. 39. Distaalinen kaiun vahvistus.

Sivuvarjojen artefakti liittyy ultraääniaaltojen taittumiseen ja joskus häiriöihin, kun ultraäänisäde putoaa tangentiaalisesti rakenteen kuperalle pinnalle (kysta, kohdunkaulan sappirakko), jonka ultraäänen nopeus poikkeaa merkittävästi ympäröivistä kudoksista ( kuva 40).

Riisi. 40. Sivuvarjot.

Ultraäänen nopeuden virheelliseen määritykseen liittyvät artefaktit johtuvat siitä, että ultraäänen todellinen etenemisnopeus tietyssä kudoksessa on suurempi tai pienempi kuin keskimääräinen (1,54 m/s) nopeus, jolle laite on ohjelmoitu (kuva 11). . 41).

Riisi. 41. Vääristymät, jotka johtuvat eroista ultraääninopeudessa (V1 ja V2) eri medioissa.

Ultraäänisäteen paksuuden aiheuttamat artefaktit ovat lähinnä nestettä sisältäviä elimiä lähellä seinää olevia heijastuksia, jotka johtuvat siitä, että ultraäänisäteellä on tietty paksuus ja osa tästä säteestä voi samanaikaisesti muodostaa kuvan elimestä ja kuvan viereisestä elimestä. rakenteet (kuva 42).

Riisi. 42. Ultraäänisäteen paksuuden artefakti.

ULTRAÄÄNILAITTEIDEN TOIMINNAN LAATUVALVONTA

Ultraäänilaitteiden laadunvalvontaan kuuluu järjestelmän suhteellisen herkkyyden määrittäminen, aksiaalinen ja lateraalinen resoluutio, kuollut alue, etäisyysmittarin oikea toiminta, rekisteröintitarkkuus, TVG:n oikea toiminta, harmaasävyn dynaamisen alueen määrittäminen jne. . Ultraäänilaitteiden toiminnan laadun valvomiseksi käytetään erityisiä testiesineitä tai kudosta vastaavia fantomeja (kuva 43). Niitä on kaupallisesti saatavilla, mutta niitä ei maassamme laajalti käytetä, minkä vuoksi ultraäänidiagnostiikkalaitteiden kalibrointi kentällä on lähes mahdotonta.

Riisi. 43. American Institute of Ultrasound in Medicinein testiobjekti.

ULTRAÄÄNEN BIOLOGINEN VAIKUTUS JA TURVALLISUUS

Ultraäänen biologista vaikutusta ja sen turvallisuutta potilaalle käsitellään jatkuvasti kirjallisuudessa. Ultraäänen biologisten vaikutusten tuntemus perustuu ultraäänen vaikutusmekanismien tutkimukseen, ultraäänen vaikutuksen tutkimukseen soluviljelmiin, kokeelliset tutkimukset kasveista, eläimistä ja lopuksi epidemiologisista tutkimuksista.

Ultraääni voi aiheuttaa biologista toimintaa mekaanisten ja lämpövaikutusten kautta. Ultraäänisignaalin vaimennus johtuu absorptiosta, ts. ultraääniaaltoenergian muuntaminen lämmöksi. Kudosten kuumeneminen lisääntyy lähetetyn ultraäänen intensiteetin ja sen taajuuden kasvaessa. Kavitaatio on sykkivien kuplien muodostumista nesteessä, joka on täytetty kaasulla, höyryllä tai niiden seoksella. Yksi kavitaation syistä voi olla ultraääniaalto. Onko ultraääni siis haitallista vai ei?

Ultraäänen soluihin kohdistuviin vaikutuksiin liittyvä tutkimus, kokeellinen työ kasveilla ja eläimillä sekä epidemiologiset tutkimukset johtivat American Institute of Ultrasound in Medicine -tutkimukseen seuraavan lausunnon, joka vahvistettiin viimeksi vuonna 1993:

”Potilailla tai laitteen parissa työskentelevillä ei ole koskaan raportoitu säteilyn (ultraääni) aiheuttamia vahvistettuja biologisia vaikutuksia, joiden voimakkuus on tyypillistä nykyaikaisille ultraäänidiagnostiikkalaitoksille. Vaikka on mahdollista, että tällaisia ​​biologisia vaikutuksia voidaan tunnistaa tulevaisuudessa, nykyiset todisteet osoittavat, että diagnostisen ultraäänen järkevästä käytöstä potilaalle koituva hyöty on suurempi kuin mahdollinen riski.

UUSIA SUUNTAJA ULTRAÄÄNIDIAGNOOSISSA

Ultraäänidiagnostiikka kehittyy nopeasti, ultraäänidiagnostiikkalaitteita kehitetään jatkuvasti. Voimme olettaa useita pääsuuntia tämän diagnostisen menetelmän tulevalle kehitykselle.

Doppler-tekniikoiden edelleen parantaminen on mahdollista, erityisesti kuten teho-Doppler, kudosten Doppler-värikuvaus.

Kolmiulotteisesta kaikukuvauksesta voi tulevaisuudessa tulla erittäin tärkeä ultraäänidiagnostiikan alue. Tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla olevia ultraäänidiagnostiikkayksiköitä on useita, jotka mahdollistavat kolmiulotteisen kuvan rekonstruoinnin, mutta tämän suunnan kliininen merkitys on edelleen epäselvä.

Ultraäänikontrastien käytön käsitteen esittivät ensimmäisen kerran R.Gramiak ja P.M.Shah 60-luvun lopulla kaikukardiografisessa tutkimuksessa. Tällä hetkellä on kaupallisesti saatavilla kontrastia "Ehovist" (Shering), jota käytetään oikean sydämen kuvantamiseen. Sitä on äskettäin muunnettu pienentämään kontrastihiukkasten kokoa ja se voidaan kierrättää ihmisen verenkiertoelimessä (Levovist, Schering). Tämä lääke parantaa merkittävästi Doppler-signaalia, sekä spektriä että väriä, mikä voi olla välttämätöntä kasvaimen verenvirtauksen arvioinnissa.

Intrakavitaarinen kaiku ultraohuilla sensoreilla avaa uusia mahdollisuuksia onttojen elinten ja rakenteiden tutkimukseen. Kuitenkin tällä hetkellä tämän tekniikan laajaa käyttöä rajoittaa erikoisanturien korkea hinta, jota voidaan lisäksi käyttää tutkimukseen rajoitetun määrän kertoja (1÷40).

Tietokonekuvankäsittely saadun tiedon objektivisointia varten on lupaava suunta, joka voi tulevaisuudessa parantaa parenkymaalisten elinten pienten rakennemuutosten diagnosoinnin tarkkuutta. Valitettavasti tähän mennessä saaduilla tuloksilla ei ole merkittävää kliinistä merkitystä.

Siitä huolimatta, mikä eilen näytti kaukaiselta tulevaisuudelta ultraäänidiagnostiikassa, on tullut nykyään yleiseksi rutiiniksi ja todennäköisesti lähitulevaisuudessa näemme uusien ultraäänidiagnostiikan tekniikoiden käyttöönoton kliinisessä käytännössä.

1. Ultraäänen lähettäjät ja vastaanottimet.

2. Ultraäänen absorptio aineessa. Akustiset virtaukset ja kavitaatio.

3. Ultraäänen heijastus. Ääni visio.

4. Ultraäänen biofyysinen vaikutus.

5. Ultraäänen käyttö lääketieteessä: terapia, kirurgia, diagnostiikka.

6. Infraääni ja sen lähteet.

7. Infraäänen vaikutus ihmisiin. Infraäänen käyttö lääketieteessä.

8. Peruskäsitteet ja kaavat. Taulukot.

9. Tehtävät.

Ultraääni -elastisia värähtelyjä ja aallot, joiden taajuudet ovat noin 20 x 10 3 Hz (20 kHz) - 10 9 Hz (1 GHz). Ultraäänen taajuusaluetta 1 - 1000 GHz kutsutaan hypersonic. Ultraäänitaajuus on jaettu kolmeen alueeseen:

ULF - matalataajuinen ultraääni (20-100 kHz);

USCH - keskitaajuinen ultraääni (0,1-10 MHz);

UZVCH - korkeataajuinen ultraääni (10-1000 MHz).

Jokaisella sarjalla on omat lääketieteelliset sovelluksensa.

5.1. Ultraäänen lähettäjät ja vastaanottimet

Sähkömekaaninen säteilijät Ja Yhdysvaltain vastaanottimet käyttää pietsosähköisen ilmiön ilmiötä, jonka olemus on selitetty kuvassa 1. 5.1.

Tällaisilla kiteisillä dielektreillä, kuten kvartsilla, Rochellen suolalla jne., on selvät pietsosähköiset ominaisuudet.

Ultraäänilähettimet

Sähkömekaaninen ultraäänilähetin käyttää käänteisen pietsosähköisen ilmiön ilmiötä ja koostuu seuraavista elementeistä (kuva 5.2):

Riisi. 5.1. A - suora pietsosähköinen vaikutus: pietsosähköisen levyn puristaminen ja venyttäminen johtaa vastaavan merkin potentiaalieron ilmaantumiseen;

b - käänteinen pietsosähköinen vaikutus: Pietsosähköiseen levyyn kohdistetun potentiaalieron merkistä riippuen sitä puristetaan tai venytetään

Riisi. 5.2. ultraäänilähetin

1 - aineen levyt, joilla on pietsosähköisiä ominaisuuksia;

2 - elektrodit, jotka on kerrostettu sen pinnalle johtavien kerrosten muodossa;

3 - generaattori, joka syöttää tarvittavan taajuuden vaihtojännitteen elektrodeihin.

Kun elektrodeihin (2) syötetään vaihtojännite generaattorista (3), levy (1) joutuu ajoittain venymään ja puristumaan. Esiintyy pakkovärähtelyjä, joiden taajuus on yhtä suuri kuin jännitteen muutoksen taajuus. Nämä värähtelyt välittyvät ympäristön hiukkasiin luoden mekaanisen aallon sopivalla taajuudella. Väliaineen hiukkasten värähtelyjen amplitudi säteilijän lähellä on yhtä suuri kuin levyn värähtelyjen amplitudi.

Ultraäänen erityispiirteisiin kuuluu mahdollisuus saada korkean intensiteetin aaltoja jopa suhteellisen pienillä värähtelyamplitudeilla, koska tietyllä amplitudilla tiheys

Riisi. 5.3. Ultraäänisäteen fokusointi vedessä tasokoveralla pleksilasilinssillä (ultraäänitaajuus 8 MHz)

energiavirta on verrannollinen taajuuden neliö(katso kaava 2.6). Ultraäänisäteilyn rajoittavan intensiteetin määräävät säteilijöiden materiaalin ominaisuudet sekä niiden käyttöolosuhteiden ominaisuudet. Ultraäänituotannon intensiteettialue UHF-alueella on erittäin laaja: 10 -14 W/cm2 - 0,1 W/cm2.

Moniin tarkoituksiin tarvitaan paljon suurempia intensiteettejä kuin ne, jotka voidaan saada emitterin pinnalta. Näissä tapauksissa voit käyttää tarkennusta. Kuva 5.3 esittää ultraäänen tarkennusta pleksilasilinssillä. Saadakseen hyvin suuri Ultraäänen intensiteetit käyttävät monimutkaisempia tarkennusmenetelmiä. Joten paraboloidin, jonka sisäseinät on valmistettu mosaiikista kvartsilevyistä taita, fokuksessa 0,5 MHz:n taajuudella on mahdollista saada ultraäänivoimakkuuksia jopa 10 5 W/cm 2 vedessä.

Ultraäänivastaanottimet

Sähkömekaaninen Yhdysvaltain vastaanottimet(Kuva 5.4) käyttävät suoran pietsosähköisen vaikutuksen ilmiötä. Tässä tapauksessa ultraääniaallon vaikutuksesta tapahtuu kidelevyn (1) värähtelyjä,

Riisi. 5.4 Ultraääni vastaanotin

jonka seurauksena elektrodeihin (2) ilmaantuu vaihtojännite, jonka tallennusjärjestelmä (3) kiinnittää.

Useimmissa lääketieteellisissä laitteissa ultraääniaaltojen generaattoria käytetään samanaikaisesti niiden vastaanottimena.

5.2. Ultraäänen imeytyminen aineeseen. Akustiset virrat ja kavitaatio

Fyysisen olemuksen mukaan ultraääni ei eroa äänestä ja on mekaaninen aalto. Sen edetessä muodostuu vuorottelevia tiivistymisalueita ja väliaineen hiukkasten harventumista. Ultraäänen ja äänen etenemisnopeudet väliaineissa ovat samat (ilmassa ~ 340 m/s, vedessä ja pehmytkudoksissa ~ 1500 m/s). Ultraääniaaltojen korkea intensiteetti ja lyhyt pituus aiheuttavat kuitenkin useita erityispiirteitä.

Kun ultraääni etenee aineessa, tapahtuu ääniaallon energian peruuttamaton siirtyminen muun tyyppiseksi energiaksi, pääasiassa lämmöksi. Tätä ilmiötä kutsutaan äänen absorptio. Absorptiosta johtuva hiukkasten värähtelyjen amplitudin ja US:n intensiteetin väheneminen on eksponentiaalista:

jossa A, A 0 ovat väliaineen hiukkasten värähtelyjen amplitudit lähellä aineen pintaa ja syvyydellä h; I, I 0 - ultraääniaallon vastaava intensiteetti; α- absorptiokerroin, riippuen ultraääniaallon taajuudesta, lämpötilasta ja väliaineen ominaisuuksista.

Absorptiokerroin - sen etäisyyden käänteisluku, jolla ääniaallon amplitudi putoaa kertoimella "e".

Mitä suurempi absorptiokerroin, sitä vahvemmin väliaine absorboi ultraääntä.

Absorptiokerroin (α) kasvaa ultraäänitaajuuden kasvaessa. Siksi ultraäänen vaimennus väliaineessa on monta kertaa suurempi kuin kuultavan äänen vaimennus.

Kera absorptiokerroin, ja niitä käytetään ultraääniabsorption ominaisuuksina. puoliabsorptio syvyys(H), joka liittyy siihen käänteisellä suhteella (H = 0,347/α).

Puoliimeytymisen syvyys(H) on syvyys, jossa ultraääniaallon intensiteetti puolittuu.

Absorptiokertoimen arvot ja puoliabsorption syvyys eri kudoksissa on esitetty taulukossa. 5.1.

Kaasuissa ja erityisesti ilmassa ultraääni etenee suurella vaimennuksella. Nesteet ja kiinteät aineet (erityisesti yksittäiskiteet) ovat yleensä hyviä ultraäänen johtimia, ja vaimennus niissä on paljon pienempi. Joten esimerkiksi vedessä ultraääniaaltojen vaimennus on muiden asioiden ollessa samat noin 1000 kertaa pienempi kuin ilmassa. Siksi UCH:n ja UZVCH:n käyttöalueet liittyvät lähes yksinomaan nesteisiin ja kiinteät aineet, ja ilmassa ja kaasuissa käytetään vain ULF:ää.

Lämmön vapautuminen ja kemialliset reaktiot

Ultraäänen absorptio aineen mukana seuraa mekaanisen energian siirtymistä aineen sisäiseen energiaan, mikä johtaa sen kuumenemiseen. Voimakkain lämpeneminen tapahtuu välineiden rajapintojen vieressä olevilla alueilla, kun heijastuskerroin on lähellä yksikköä (100 %). Tämä johtuu siitä, että heijastuksen seurauksena aallon intensiteetti lähellä rajaa kasvaa ja vastaavasti absorboituneen energian määrä kasvaa. Tämä voidaan varmistaa kokeellisesti. Kosteaan käteen on kiinnitettävä ultraäänilähetin. Pian kämmenen vastakkaisella puolella ilmenee tunne (samanlainen kuin palovamman aiheuttama kipu), joka johtuu ihon ja ilman rajapinnasta heijastuvasta ultraäänestä.

Monimutkaisen rakenteen omaavat kudokset (keuhkot) ovat herkempiä ultraäänikuumenemiselle kuin homogeeniset kudokset (maksa). Suhteellisen paljon lämpöä vapautuu pehmytkudosten ja luun rajalla.

Kudosten paikallinen kuumennus asteen murto-osilla edistää biologisten esineiden elintärkeää toimintaa, lisää aineenvaihduntaprosessien intensiteettiä. Pitkäaikainen altistuminen voi kuitenkin aiheuttaa ylikuumenemista.

Joissakin tapauksissa kohdennettua ultraääntä käytetään paikallisiin vaikutuksiin yksittäisiin kehon rakenteisiin. Tämän vaikutuksen avulla voit saavuttaa hallitun hypertermian, ts. kuumennetaan 41-44 °C:seen ilman viereisten kudosten ylikuumenemista.

Lämpötilan nousu ja suuret paineen laskut, jotka liittyvät ultraäänen kulumiseen, voivat johtaa ionien ja radikaalien muodostumiseen, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa molekyylien kanssa. Tässä tapauksessa voi tapahtua sellaisia ​​kemiallisia reaktioita, jotka eivät ole mahdollisia normaaleissa olosuhteissa. Ultraäänen kemiallinen vaikutus ilmenee erityisesti vesimolekyylin hajoamisessa H+- ja OH-radikaaleiksi, mitä seuraa vetyperoksidin H 2 O 2 muodostuminen.

Akustiset virrat ja kavitaatio

Korkean intensiteetin ultraääniaaltoja seuraa joukko erityisiä vaikutuksia. Joten ultraääniaaltojen etenemiseen kaasuissa ja nesteissä liittyy väliaineen liike, jota kutsutaan akustiseksi virtaukseksi (kuva 5.5, A). UHF-alueen taajuuksilla ultraäänikentässä, jonka intensiteetti on useita W / cm 2, saattaa esiintyä nesteen roiskumista (kuva 5.5, b) ja ruiskuttamalla sitä erittäin hienoksi sumuksi. Tätä ultraäänen leviämisen ominaisuutta käytetään ultraääni-inhalaattoreissa.

Tärkeitä ilmiöitä, joita syntyy voimakkaan ultraäänen leviämisen aikana nesteissä, on akustinen kavitaatio - kasvu ultraäänikentän kuplia saatavilla

Riisi. 5.5. a) akustinen virtaus, joka syntyy ultraäänen etenemisestä taajuudella 5 MHz bentseenissä; b) nestelähde, joka muodostuu ultraäänisäteen putoaessa nesteen sisältä sen pinnalle (ultraäänitaajuus 1,5 MHz, intensiteetti 15 W / cm 2)

submikroskooppiset kaasun tai höyryn ytimet nesteissä jopa millimetrin osissa, jotka alkavat pulsoida ultraäänitaajuudella ja romahtavat positiivisessa paineessa. Kun kaasukuplat romahtavat, suuret paikalliset paineet järjestykseen tuhat tunnelmaa, pallomainen shokkiaallot. Tällainen voimakas mekaaninen vaikutus nesteen sisältämiin hiukkasiin voi johtaa erilaisiin vaikutuksiin, myös tuhoisiin, jopa ilman ultraäänen lämpövaikutuksen vaikutusta. Mekaaniset vaikutukset ovat erityisen merkittäviä fokusoidun ultraäänen vaikutuksesta.

Toinen seuraus kavitaatiokuplien romahtamisesta on niiden sisällön voimakas kuumeneminen (noin 10 000 °C:n lämpötilaan asti), johon liittyy ionisaatiota ja molekyylien hajoamista.

Kavitaatioilmiöön liittyy emitterien työpintojen eroosiota, soluvaurioita jne. Tällä ilmiöllä on kuitenkin myös monia hyödyllisiä vaikutuksia. Joten esimerkiksi kavitaatioalueella tapahtuu tehostettua aineen sekoittumista, jota käytetään emulsioiden valmistukseen.

5.3. ultraäänen heijastus. ääni visio

Kuten kaikentyyppisissä aalloissa, heijastus- ja taittumisilmiöt ovat luontaisia ​​ultraäänelle. Nämä ilmiöt ovat kuitenkin havaittavissa vain, kun epähomogeenisuuksien mitat ovat vertailukelpoisia aallonpituuden kanssa. Ultraääniaallon pituus on huomattavasti pienempi kuin ääniaallon pituus (λ = v/v).Äänen ja ultraääniaaltojen pituudet pehmytkudoksissa taajuuksilla 1 kHz ja 1 MHz, vastaavasti, ovat siis yhtä suuret: λ = 1500/1000 = 1,5 m;

1500/1 000 000 = 1,5x10 -3 m = 1,5 mm. Edellä olevan mukaisesti 10 cm:n kokoinen kappale ei käytännössä heijasta ääntä aallonpituudella λ = 1,5 m, vaan on heijastin ultraääniaaltolle, jonka λ = 1,5 mm.

Heijastustehokkuutta määrää geometristen suhteiden lisäksi myös heijastuskerroin r, joka riippuu suhteesta aaltoimpedanssi x(katso kaavat 3.8, 3.9):

Arvoilla x, jotka ovat lähellä nollaa, heijastus on melkein valmis. Tämä on este ultraäänen siirtymiselle ilmasta pehmytkudoksiin (x = 3x10 -4, r= 99,88 %). Jos ultraäänilähetin levitetään suoraan ihmisen iholle, ultraääni ei tunkeudu sisälle, vaan heijastuu ohuesta ilmakerroksesta emitterin ja ihon välissä. Tässä tapauksessa pienet arvot X näytellä negatiivista roolia. Ilmakerroksen poistamiseksi ihon pinta peitetään sopivalla liukastusainekerroksella (vesihyytelö), joka toimii siirtymäväliaineena, joka vähentää heijastuksia. Päinvastoin, epähomogeenisuuden havaitsemiseksi keskisuurissa, pienissä arvoissa X ovat positiivinen tekijä.

Heijastuskertoimen arvot eri kudosten rajoilla on esitetty taulukossa. 5.2.

Vastaanotetun heijastuneen signaalin intensiteetti ei riipu pelkästään heijastuskertoimen arvosta, vaan myös ultraäänen absorptioasteesta väliaineessa, jossa se etenee. Ultraääniaallon absorptio johtaa siihen, että syvyydessä sijaitsevasta rakenteesta heijastuva kaikusignaali on paljon heikompi kuin vastaavasta pinnan lähellä sijaitsevasta rakenteesta heijastuessa muodostuva kaikusignaali.

Perustuu ultraääniaaltojen heijastukseen epähomogeenisuudesta ääninäkö, käytetään lääketieteellisissä ultraäänitutkimuksissa (ultraääni). Tällöin epähomogeenisuuksista (yksittäiset elimet, kasvaimet) heijastuva ultraääni muunnetaan sähkövärähtelyiksi ja jälkimmäiset valovärähtelyiksi, mikä mahdollistaa tiettyjen kohteiden näkemisen näytöllä valolle läpäisemättömässä väliaineessa. Kuva 5.6 esittää kuvan

Riisi. 5.6. 5 MHz ultraäänikuva 17 viikon ikäisestä ihmissikiöstä

17 viikon ikäinen ihmisen sikiö, saatu ultraäänellä.

Ultraäänimikroskooppi on luotu ultraäänialueen taajuuksilla - tavanomaisen mikroskoopin kaltainen laite, jonka etuna optiseen verrattuna on, että biologiset tutkimukset eivät vaadi esineen alustavaa värjäystä. Kuva 5.7 esittää valokuvia punasoluista, jotka on otettu optisilla ja ultraäänimikroskoopeilla.

Riisi. 5.7. Valokuvat punasoluista, jotka on saatu optisilla (a) ja ultraäänimikroskoopeilla (b).

Ultraääniaaltojen taajuuden kasvaessa resoluutio kasvaa (pienemmät epähomogeenisuudet voidaan havaita), mutta niiden läpäisykyky pienenee, ts. syvyys, jossa kiinnostavia rakenteita voidaan tutkia, pienenee. Siksi ultraäänen taajuus valitaan siten, että riittävä resoluutio yhdistyy vaadittavaan tutkimussyvyyteen. Joten suoraan ihon alla sijaitsevan kilpirauhasen ultraäänitutkimukseen käytetään 7,5 MHz aaltoja, ja vatsaelinten tutkimukseen käytetään taajuutta 3,5-5,5 MHz. Lisäksi otetaan huomioon myös rasvakerroksen paksuus: ohuille lapsille käytetään 5,5 MHz taajuutta ja ylipainoisille lapsille ja aikuisille 3,5 MHz taajuutta.

5.4 Ultraäänen biofyysinen vaikutus

Ultraäänen vaikutuksesta biologisiin esineisiin säteilytetyissä elimissä ja kudoksissa etäisyyksillä, jotka ovat yhtä suuria kuin puolet aallonpituudesta, voi esiintyä paine-eroja yksiköistä kymmeniin ilmakehoihin. Tällaiset voimakkaat vaikutukset johtavat erilaisiin biologisiin vaikutuksiin, joiden fysikaalinen luonne määräytyy mekaanisten, lämpö- ja fysikaalis-kemiallisten ilmiöiden yhteisvaikutuksesta, jotka liittyvät ultraäänen etenemiseen väliaineessa.

Ultraäänen yleinen vaikutus kudoksiin ja koko kehoon

Ultraäänen biologinen vaikutus, ts. Ultraäänelle altistuvat biologisten esineiden elintärkeässä toiminnassa ja rakenteissa aiheutuvat muutokset määräytyvät pääasiassa sen säteilyn voimakkuudesta ja kestosta, ja niillä voi olla sekä positiivisia että kielteisiä vaikutuksia organismien elintoimintoon. Siten hiukkasten mekaaniset värähtelyt, joita esiintyy suhteellisen alhaisilla ultraääniintensiteeteillä (jopa 1,5 W/cm 2 ), tuottavat eräänlaisen kudosmikrohieronnan, joka edistää aineenvaihduntaa ja kudosten parempaa veren ja imusolmukkeiden saantia. Kudosten paikallinen lämmitys fraktioilla ja asteyksiköillä edistää pääsääntöisesti biologisten esineiden elintärkeää aktiivisuutta ja lisää aineenvaihduntaprosessien intensiteettiä. ultraääniaaltoja pieni Ja keskellä intensiteetit aiheuttavat positiivisia biologisia vaikutuksia eläviin kudoksiin ja stimuloivat normaalien fysiologisten prosessien virtausta.

Osoitetun intensiteetin ultraäänen onnistunut käyttö löytää käyttöä neurologiassa sellaisten sairauksien, kuten kroonisen iskiasin, moniniveltulehduksen, hermotulehduksen ja neuralgian, kuntoutuksessa. Ultraääntä käytetään selkärangan, nivelten sairauksien hoidossa (nivelten ja onteloiden suolakertymien tuhoaminen); erilaisten komplikaatioiden hoidossa nivelten, nivelsiteiden, jänteiden jne. vaurioiden jälkeen.

Korkean intensiteetin ultraäänellä (3-10 W / cm 2) on haitallinen vaikutus yksittäisiin elimiin ja koko ihmiskehoon. Korkean intensiteetin ultraääni voi aiheuttaa

biologisissa väliaineissa akustinen kavitaatio, johon liittyy solujen ja kudosten mekaaninen tuhoutuminen. Pitkäaikainen voimakas altistuminen ultraäänelle voi johtaa biologisten rakenteiden ylikuumenemiseen ja niiden tuhoutumiseen (proteiinien denaturaatio jne.). Voimakkaalle ultraäänelle altistumisella voi olla pitkäaikaisia ​​seurauksia. Esimerkiksi pitkäaikaisessa altistumisessa ultraäänelle taajuudella 20-30 kHz, joita esiintyy joissakin tuotantoolosuhteissa, henkilölle kehittyy häiriöitä hermosto, väsymys lisääntyy, lämpötila nousee merkittävästi, kuulo heikkenee.

Erittäin voimakas ultraääni on ihmiselle kohtalokas. Joten Espanjassa 80 vapaaehtoista altistettiin ultraääniturbulentimoottoreille. Tämän barbaarisen kokeen tulokset olivat tuhoisat: 28 ihmistä kuoli, loput halvaantuivat kokonaan tai osittain.

Korkean intensiteetin ultraäänen tuottama lämpövaikutus voi olla erittäin merkittävä: ultraäänisäteilytyksellä teholla 4 W / cm 2 20 sekunnin ajan kehon kudosten lämpötila 2-5 cm:n syvyydessä nousee 5-6 ° C .

Ultraääniyksiköillä työskentelevien henkilöiden ammattitautien estämiseksi, kun kosketus ultraäänivärähtelyn lähteisiin on mahdollista, on tarpeen käyttää 2 paria käsineitä käsien suojaamiseen: ulompi kumi ja sisä - puuvilla.

Ultraäänen toiminta solutasolla

Toissijaiset fysikaaliset ja kemialliset vaikutukset voivat myös olla Yhdysvaltojen biologisen vaikutuksen taustalla. Siten akustisten virtojen muodostumisen aikana voi tapahtua solunsisäisten rakenteiden sekoittumista. Kavitaatio johtaa repeämiseen molekyylisidoksia biopolymeereihin ja muihin elintärkeisiin yhdisteisiin sekä redox-reaktioiden kehittymiseen. Ultraääni parantaa läpäisevyyttä biologiset kalvot, mikä johtaa aineenvaihduntaprosessien kiihtymiseen diffuusion vuoksi. Muutos erilaisten aineiden virtauksessa sytoplasmisen kalvon läpi johtaa muutokseen solunsisäisen ympäristön koostumuksessa ja solun mikroympäristössä. Tämä vaikuttaa niiden biokemiallisten reaktioiden nopeuteen, joihin osallistuu entsyymejä, jotka ovat herkkiä väliaineen tiettyjen aineiden pitoisuuksille.

muita ioneja. Joissakin tapauksissa solun sisällä olevan väliaineen koostumuksen muutos voi johtaa entsymaattisten reaktioiden kiihtymiseen, mikä havaitaan, kun solut altistetaan matalan intensiteetin ultraäänelle.

Monet solunsisäiset entsyymit aktivoituvat kaliumionien vaikutuksesta. Siksi ultraäänen intensiteetin kasvaessa entsymaattisten reaktioiden tukahduttaminen solussa tulee todennäköisemmäksi, koska kalium-ionien pitoisuus solunsisäisessä väliaineessa laskee solukalvojen depolarisaation seurauksena.

Ultraäänen vaikutukseen soluihin voi liittyä seuraavat ilmiöt:

Solukalvojen mikroympäristön rikkominen erilaisten aineiden pitoisuusgradienttien muutoksen muodossa kalvojen lähellä, väliaineen viskositeetin muutoksen muodossa solun sisällä ja ulkopuolella;

Muutos solukalvojen läpäisevyydessä normaalin ja helpotetun diffuusion kiihtymisen muodossa, aktiivisen kuljetuksen tehokkuuden muutos, kalvojen rakenteen rikkoutuminen;

Solunsisäisen ympäristön koostumuksen rikkominen erilaisten aineiden pitoisuuden muutoksen muodossa solussa, viskositeetin muutoksen muodossa;

Muutokset entsymaattisten reaktioiden nopeuksissa solussa johtuen entsyymien toiminnan kannalta välttämättömien aineiden optimaalisten pitoisuuksien muutoksista.

Muutos solukalvojen läpäisevyydessä on universaali reaktio ultraäänialtistukseen riippumatta siitä, mikä soluun vaikuttavista ultraäänitekijöistä hallitsee tietyssä tapauksessa.

Riittävän korkealla ultraäänen intensiteetillä kalvot tuhoutuvat. Eri soluilla on kuitenkin erilainen vastus: jotkut solut tuhoutuvat intensiteetillä 0,1 W/cm 2, toiset 25 W/cm 2 .

Tietyllä intensiteetillä ultraäänen havaitut biologiset vaikutukset ovat palautuvia. Kynnysarvoksi otetaan tämän intervallin yläraja 0,1 W/cm 2 taajuudella 0,8-2 MHz. Tämän rajan ylittäminen johtaa voimakkaisiin tuhoaviin muutoksiin soluissa.

Mikro-organismien tuhoaminen

Ultraäänisäteilytystä, jonka voimakkuus ylittää kavitaatiokynnyksen, käytetään nesteessä olevien bakteerien ja virusten tuhoamiseen.

5.5. Ultraäänen käyttö lääketieteessä: hoito, kirurgia, diagnostiikka

Ultraäänen vaikutuksen alaisia ​​muodonmuutoksia käytetään väliaineiden jauhamisessa tai dispergoinnissa.

Kavitaatioilmiötä käytetään sekoittumattomien nesteiden emulsioiden saamiseksi, metallien puhdistamiseen hilseestä ja rasvakalvoista.

ultraäänihoito

Ultraäänen terapeuttinen vaikutus johtuu mekaanisista, lämpö- ja kemiallisista tekijöistä. Niiden yhteinen toiminta parantaa kalvojen läpäisevyyttä, laajentaa verisuonia, parantaa aineenvaihduntaa, mikä auttaa palauttamaan kehon tasapainotilan. Annostetulla ultraäänisäteellä voidaan hieroa hellävaraisesti sydäntä, keuhkoja ja muita elimiä ja kudoksia.

Otolaryngologiassa ultraääni vaikuttaa tärykalvoon, nenän limakalvoon. Tällä tavalla suoritetaan kroonisen nuhan, yläleuan onteloiden sairauksien kuntoutusta.

FONOFOREESI - lääkkeiden vieminen kudoksiin ihon huokosten kautta ultraäänellä. Tämä menetelmä on samanlainen kuin elektroforeesi, mutta toisin kuin sähkökenttä, ultraäänikenttä liikuttaa paitsi ioneja myös veloituksetta hiukkasia. Ultraäänen vaikutuksesta solukalvojen läpäisevyys kasvaa, mikä edistää lääkkeiden tunkeutumista soluun, kun taas elektroforeesin aikana lääkkeet keskittyvät pääasiassa solujen väliin.

AUTOHEMOTERAPIA - henkilön omaa verta, joka on otettu suoneen, lihaksensisäinen injektio. Tämä toimenpide on tehokkaampi, jos otettu veri säteilytetään ultraäänellä ennen infuusiota.

Ultraäänisäteily lisää solun herkkyyttä altistumiselle kemialliset aineet. Näin voit luoda vähemmän haitallisia

rokotteita, koska niiden valmistuksessa voidaan käyttää pienempiä kemikaalipitoisuuksia.

Alustava altistuminen ultraäänelle tehostaa y- ja mikroaaltosäteilyn vaikutusta kasvaimiin.

Lääketeollisuudessa ultraääntä käytetään tiettyjen lääkeaineiden emulsioiden ja aerosolien valmistukseen.

Fysioterapiassa ultraääntä käytetään paikalliseen altistumiseen, joka suoritetaan sopivan emitterin avulla, koskettamalla voidepohjan kautta tietylle kehon alueelle.

ultraäänikirurgia

Ultraäänikirurgia on jaettu kahteen lajikkeeseen, joista toinen liittyy äänivärähtelyjen vaikutukseen kudoksiin, toinen - ultraäänivärähtelyjen asettamiseen kirurgiseen instrumenttiin.

Kasvainten tuhoaminen. Useat potilaan kehoon asennetut emitterit lähettävät ultraääninsäteitä, jotka keskittyvät kasvaimeen. Jokaisen säteen intensiteetti ei riitä vahingoittamaan tervettä kudosta, mutta säteiden lähentymiskohdassa intensiteetti kasvaa ja kasvain tuhoutuu kavitaatiolla ja kuumuudella.

Urologiassa ultraäänen mekaanisen vaikutuksen avulla kiviä murskataan virtsateissä, mikä säästää potilaita leikkauksilta.

Pehmytkudosten hitsaus. Jos laitat kaksi leikattua verisuonia yhteen ja painat ne toisiaan vasten, säteilytyksen jälkeen muodostuu hitsaus.

Luiden hitsaus(ultraääni osteosynteesi). Murtuma-alue täytetään murskatulla luukudoksella, johon on sekoitettu nestemäistä polymeeriä (syakriini), joka polymeroituu nopeasti ultraäänen vaikutuksesta. Säteilytyksen jälkeen muodostuu vahva hitsi, joka vähitellen liukenee ja korvataan luukudoksella.

Ultraäänivärähtelyjen superpositio kirurgisissa instrumenteissa(veitset, viilat, neulat) vähentää merkittävästi leikkausvoimia, vähentää kipua, sillä on hemostaattinen ja steriloiva vaikutus. Leikkuutyökalun värähtelyamplitudi taajuudella 20-50 kHz on 10-50 mikronia. Ultraääniveitset mahdollistavat hengityselinten leikkauksen avaamatta rintaa,

leikkaukset ruokatorvessa ja verisuonissa. Työntämällä pitkä ja ohut ultraääniveitsen suonen suonen kolesterolipaksuuksia voidaan tuhota.

Sterilointi. Ultraäänen tuhoavaa vaikutusta mikro-organismeihin käytetään kirurgisten instrumenttien sterilointiin.

Joissakin tapauksissa ultraääntä käytetään yhdessä muiden fyysisten vaikutusten kanssa, esimerkiksi kryogeeninen, hemangioomien ja arpien kirurgisessa hoidossa.

ultraäänidiagnostiikka

Ultraäänidiagnostiikka on joukko menetelmiä terveen ja sairaan ihmiskehon tutkimiseksi ultraäänen käyttöön perustuen. Ultraäänidiagnostiikan fyysinen perusta on äänen etenemisparametrien biologisissa kudoksissa (äänen nopeus, vaimennuskerroin, aallonvastus) riippuvuus kudostyypistä ja sen tilasta. Ultraäänimenetelmien avulla voidaan visualisoida kehon sisäisiä rakenteita sekä tutkia biologisten esineiden liikettä kehon sisällä. Ultraäänidiagnostiikan pääominaisuus on kyky saada tietoa pehmytkudoksista, joiden tiheys tai elastisuus eroavat hieman toisistaan. Ultraäänitutkimusmenetelmä on erittäin herkkä, sillä voidaan havaita muodostelmia, joita ei havaita röntgenillä, ei vaadi varjoaineiden käyttöä, se on kivuton eikä sillä ole vasta-aiheita.

Diagnostisiin tarkoituksiin käytetään ultraäänitaajuutta 0,8-15 MHz. Matalia taajuuksia käytetään syvällä olevien esineiden tutkimuksessa tai luukudoksen läpi suoritettavassa tutkimuksessa, korkeita taajuuksia käytetään ruumiin pinnan lähellä olevien esineiden visualisointiin, silmätautien diagnostiikkaan ja pinnallisesti sijaitsevien verisuonten tutkimukseen.

Ultraäänidiagnostiikassa yleisimmin käytettyjä kaikulokaatiomenetelmiä, jotka perustuvat pulssi-ultraäänisignaalien heijastukseen tai sirontaan. Tiedonhankintamenetelmän ja tiedon esittämisen luonteen mukaan ultraäänidiagnostiikan laitteet jaetaan kolmeen ryhmään: yksiulotteiset laitteet, joissa on tyypin A indikaatio; yksiulotteiset instrumentit, joissa on tyypin M näyttö; kaksiulotteiset instrumentit tyypin B näytöllä.

Ultraäänidiagnostiikassa tyypin A laitteella lyhyitä (noin 10-6 s) ultraäänipulsseja lähettävää emitteriä kohdistetaan tutkittavalle kehon alueelle kontaktiaineen kautta. Pulssien välisissä tauoissa laite vastaanottaa pulsseja, jotka heijastuvat erilaisista kudosten epähomogeenisuuksista. Vahvistuksen jälkeen nämä pulssit havaitaan katodisädeputken näytöllä säteen poikkeamien muodossa vaakaviivasta. Heijastuneiden pulssien kokonaiskuvaa kutsutaan yksiulotteinen kaikuogrammi tyyppi A. Kuva 5.8 esittää silmän kaikukuvauksesta saatua kaikukuvaa.

Riisi. 5.8 Silmän kaikututkimus A-menetelmällä:

1 - kaikusignaali sarveiskalvon etupinnalta; 2, 3 - kaikusignaalit linssin etu- ja takapinnalta; 4 - kaikusignaali verkkokalvolta ja silmämunan takanavan rakenteista

Erityyppisten kudosten kaikukuvat eroavat toisistaan ​​pulssien lukumäärän ja niiden amplitudin suhteen. A-tyypin kaikukuvan analyysi antaa monissa tapauksissa lisätietoa patologisen alueen tilasta, syvyydestä ja laajuudesta.

Yksiulotteisia A-tyypin laitteita käytetään neurologiassa, neurokirurgiassa, onkologiassa, synnytystaudissa, oftalmologiassa ja muilla lääketieteen aloilla.

Laitteissa, joissa on tyypin M indikaatio, vahvistuksen jälkeen heijastuneet pulssit syötetään katodisädeputken moduloivalle elektrodille ja esitetään katkoviivoina, joiden kirkkaus on suhteessa pulssin amplitudiin ja leveys sen kestoon. Näiden viivojen kehittyminen ajassa antaa kuvan yksittäisistä heijastavista rakenteista. Tämäntyyppistä indikaatiota käytetään laajalti kardiografiassa. Ultraäänikardiogrammi voidaan tallentaa muistilla varustetulla katodisädeputkella tai paperinauhurilla. Tämä menetelmä tallentaa sydämen elementtien liikkeet, mikä mahdollistaa mitraaliläpän stenoosin, synnynnäisten sydänvikojen jne.

Käytettäessä rekisteröintimenetelmiä tyyppejä A ja M anturi on kiinteässä asennossa potilaan keholla.

Tyypin B indikaatiossa anturi liikkuu (skannaa) pitkin kehon pintaa ja katodisädeputken näytölle tallennetaan kaksiulotteinen kaiku, joka toistaa tutkittavan kehon alueen poikkileikkauksen.

Menetelmän B muunnos on moniskannaus, jossa anturin mekaaninen liike korvataan useiden samalla linjalla olevien elementtien peräkkäisellä sähkökytkimellä. Moniskannaus mahdollistaa tutkittujen osien tarkkailun lähes reaaliajassa. Toinen menetelmän B versio on sektoriskannaus, jossa kaikusandin liikettä ei tapahdu, mutta ultraääninsäteen tulokulma muuttuu.

Tyypin B indikaatiolla varustettuja ultraäänilaitteita käytetään onkologiassa, synnytys- ja gynekologiassa, urologiassa, otolaryngologiassa, oftalmologiassa jne. Kardiologiassa käytetään muunnelmia B-tyypin laitteista, joissa on moniskannaus ja sektoriskannaus.

Kaikki ultraäänidiagnostiikan kaikulokaatiomenetelmät mahdollistavat tavalla tai toisella eri aaltoimpedanssien alueiden rajan rekisteröimisen kehon sisällä.

Uusi ultraäänidiagnostiikan menetelmä - rekonstruktiivinen (tai laskennallinen) tomografia - antaa tilajakauman äänen etenemisparametreille: vaimennuskerroin (menetelmän vaimennusmuunnos) tai äänen nopeus (taittomuutos). Tässä menetelmässä kohteen tutkittava osa äänitetään toistuvasti eri suuntiin. Tietoa luotauskoordinaateista ja vastesignaaleista käsitellään tietokoneella, minkä seurauksena näytölle tulee rekonstruoitu tomogrammi.

Äskettäin on otettu käyttöön menetelmä elastometria maksakudosten tutkimukseen sekä normaaleissa olosuhteissa että mikroosin eri vaiheissa. Menetelmän ydin on seuraava. Anturi asennetaan kohtisuoraan rungon pintaan nähden. Anturiin sisäänrakennetun vibraattorin avulla luodaan matalataajuinen äänen mekaaninen aalto (ν = 50 Hz, A = 1 mm), jonka etenemisnopeus alla olevien maksakudosten yli arvioidaan ultraäänellä taajuudella ν = 3,5 MHz (itse asiassa suoritetaan kaikulokaatio). Käyttämällä

kudoksen kimmomoduuli E (elastisuus). Potilaalle suoritetaan sarja mittauksia (vähintään 10) kylkiluiden välisistä tiloista maksan asennon projektiossa. Kaikkien tietojen analysointi tapahtuu automaattisesti, laite antaa kvantitatiivisen arvion elastisuudesta (tiheydestä), joka esitetään sekä numeerisena että värillisenä.

Tiedon saamiseksi kehon liikkuvista rakenteista käytetään menetelmiä ja laitteita, joiden toiminta perustuu Doppler-ilmiöön. Tällaiset laitteet sisältävät yleensä kaksi pietsosähköistä elementtiä: jatkuvassa tilassa toimivan ultraäänilähettimen ja heijastuneiden signaalien vastaanottimen. Mittaamalla Doppler-siirtymä liikkuvasta kohteesta (esim. suonen seinämästä) heijastuneen ultraääniaallon taajuudessa määritetään heijastavan kohteen liikenopeus (katso kaava 2.9). Tämän tyyppisissä edistyneimmissä laitteissa käytetään pulssi-Doppler (koherentti) paikannusmenetelmää, joka mahdollistaa signaalin eristämisen tietystä pisteestä avaruudessa.

Doppler-ilmiötä käyttäviä laitteita käytetään sydän- ja verisuonijärjestelmän sairauksien diagnosointiin (määritelmä

sydämen osien ja verisuonten seinämien liikkeet), synnytystyöhön (sikiön sydämenlyöntien tutkimus), verenkierron tutkimiseen jne.

Elimet tutkitaan ruokatorven kautta, jonka kanssa ne rajoittuvat.

Ultraääni- ja röntgen "lähetysten" vertailu

Joissakin tapauksissa ultraääniläpivalaisulla on etu röntgeniin verrattuna. Tämä johtuu siitä, että röntgensäteet antavat selkeän kuvan "kovista" kudoksista "pehmeiden" kudosten taustalla. Joten esimerkiksi luut ovat selvästi näkyvissä pehmytkudosten taustalla. Pehmytkudosten röntgenkuvan saamiseksi muiden pehmytkudosten taustaa vasten (esimerkiksi verisuoni lihasten taustaa vasten), suoni on täytettävä aineella, joka imee hyvin röntgensäteitä (varjoaine). Ultraääniläpivalaisu, jo mainittujen ominaisuuksien vuoksi, antaa tässä tapauksessa kuvan ilman kontrastiaineita.

Röntgentutkimuksella tiheysero erottuu jopa 10%, ultraäänellä - jopa 1%.

5.6. Infraääni ja sen lähteet

infraääni- elastiset värähtelyt ja aallot, joiden taajuudet ovat ihmisen kuuleman taajuusalueen alapuolella. Yleensä infraäänialueen ylärajaksi otetaan 16-20 Hz. Tällainen määritelmä on ehdollinen, koska riittävällä intensiteetillä kuuloaistiota esiintyy myös muutaman Hz:n taajuuksilla, vaikka tässä tapauksessa aistimuksen tonaalinen luonne katoaa ja vain yksittäiset värähtelyjaksot tulevat erotetuiksi. Infraäänen alataajuusraja on epävarma; tällä hetkellä sen tutkimusala ulottuu noin 0,001 Hz:iin.

Infraääniaallot leviävät ilmassa ja vesiympäristöt, sekä maankuoressa (seismiset aallot). Infraäänen pääominaisuus alhaisen taajuutensa vuoksi on alhainen absorptio. Eteneessään syvässä meressä ja ilmakehässä maanpinnan tasolla, infraääniaallot, joiden taajuus on 10-20 Hz, vaimenevat 1000 km:n etäisyydellä enintään muutamalla desibeleillä. Tiedetään, että kuulostaa

tulivuorenpurkaukset ja atomiräjähdykset voivat toistuvasti kiertää maapalloa. Suuresta aallonpituudesta johtuen infraäänen sironta on vähäistä. Luonnollisissa ympäristöissä havaittavaa sirontaa aiheuttavat vain erittäin suuret esineet - kukkulat, vuoret, korkeat rakennukset.

Luonnollisia infraäänen lähteitä ovat meteorologiset, seismiset ja vulkaaniset ilmiöt. Infraääntä synnyttävät ilmakehän ja valtamerten myrskyisät paineenvaihtelut, tuuli, meren aallot (mukaan lukien hyökyaallot), vesiputoukset, maanjäristykset ja maanvyörymät.

Ihmisen toimintaan liittyviä infraäänen lähteitä ovat räjähdykset, laukaukset, yliäänilentokoneiden iskuaallot, paalukoneiden, suihkumoottoreiden törmäykset jne. Infraääni sisältyy moottoreiden ja prosessilaitteiden meluun. Teollisuuden ja kotitalouksien herättimien synnyttämät rakennusvärähtelyt sisältävät pääsääntöisesti infraäänikomponentteja. Liikennemelu lisää merkittävästi infraäänen aiheuttamaa ympäristön saastumista. Esimerkiksi autot, joiden nopeus on 100 km / h, luovat infraääntä, jonka intensiteetti on jopa 100 dB. Suurten alusten moottoritilassa rekisteröitiin käyvien moottoreiden aiheuttamia infraäänivärähtelyjä, joiden taajuus oli 7-13 Hz ja intensiteettitaso 115 dB. Korkean rakennuksen ylemmissä kerroksissa infraäänen voimakkuus saavuttaa varsinkin voimakkaassa tuulessa

Infraääntä on lähes mahdotonta eristää - matalilla taajuuksilla kaikki ääntä vaimentavat materiaalit menettävät tehokkuutensa lähes kokonaan.

5.7. Infraäänen vaikutus ihmisiin. Infraäänen käyttö lääketieteessä

Infraäänellä on pääsääntöisesti negatiivinen vaikutus ihmiseen: se aiheuttaa masentunutta mielialaa, väsymystä, päänsärkyä, ärsytystä. Matalatehoiselle infraäänelle altistuneelle henkilölle kehittyy "merisairauden", pahoinvoinnin, huimauksen oireita. On päänsärkyä, väsymys lisääntyy, kuulo heikkenee. 2-5 Hz:n taajuudella

ja intensiteettitaso 100-125 dB, subjektiivinen reaktio vähenee paineen tunteeseen korvassa, nielemisvaikeuksiin, äänen pakotettuun modulaatioon ja puhevaikeuksiin. Infraäänen vaikutus vaikuttaa negatiivisesti näkökykyyn: näkötoiminnot heikkenevät, näöntarkkuus heikkenee, näkökenttä kapenee, mukautumiskyky heikkenee ja vakaus havaitun kohteen kiinnittämisessä silmällä häiriintyy.

Kohina taajuudella 2-15 Hz intensiteettitasolla 100 dB johtaa nuoliindikaattoreiden seurantavirheen lisääntymiseen. Silmämunassa on kouristelevaa nykimistä, tasapainoelinten toimintahäiriötä.

Harjoittelun aikana infraäänelle altistuneet lentäjät ja kosmonautit ratkaisivat hitaammin yksinkertaisiakin laskutehtäviä.

Oletuksena on, että erilaiset ilmasto-olosuhteiden selittämät poikkeavuudet ihmisten tilassa huonolla säällä ovat itse asiassa seurausta infraääniaalloille altistumisesta.

Keskiteholla (140-155 dB) voi esiintyä pyörtymistä ja tilapäistä näönmenetystä. Suurilla intensiteetillä (noin 180 dB) voi tapahtua halvaus, joka voi johtaa kuolemaan.

Oletetaan, että infraäänen negatiivinen vaikutus johtuu siitä, että joidenkin elinten ja ihmiskehon osien luonnollisen värähtelyn taajuudet sijaitsevat infraäänen alueella. Tämä aiheuttaa ei-toivottuja resonanssiilmiöitä. Osoitamme joitain luonnollisen värähtelyn taajuuksia henkilölle:

Ihmiskeho makuuasennossa - (3-4) Hz;

Rintakehä - (5-8) Hz;

Vatsaontelo - (3-4) Hz;

Silmät - (12-27) Hz.

Infraäänen vaikutus sydämeen on erityisen haitallinen. Riittävällä teholla tapahtuu sydänlihaksen pakotettuja värähtelyjä. Resonanssilla (6-7 Hz) niiden amplitudi kasvaa, mikä voi johtaa verenvuotoon.

Infraäänen käyttö lääketieteessä

Viime vuosina infraääntä on käytetty laajalti lääketieteellisessä käytännössä. Joten oftalmologiassa infraääniaallot

12 Hz:iin asti käytetään likinäköisyyden hoidossa. Silmäluomen sairauksien hoidossa infraääntä käytetään fonoforeesiin (kuva 5.9), haavapintojen puhdistukseen, hemodynamiikan ja silmäluomien regeneraation parantamiseen, hierontaan (kuva 5.10) jne.

Kuva 5.9 esittää infraäänen käyttöä vastasyntyneiden kyyneltiehyeiden kehityksessä esiintyvän poikkeaman hoitoon.

Yhdessä hoidon vaiheessa kyynelpussi hierotaan. Tässä tapauksessa infraäänigeneraattori luo ylipainetta kyynelpussiin, mikä edistää alkiokudoksen repeämistä kyynelkanavassa.

Riisi. 5.9. Infraäänen fonoforeesin kaavio

Riisi. 5.10. Kyynelpussihieronta

5.8 Peruskäsitteet ja kaavat. taulukoita

Taulukko 5.1. Absorptiokerroin ja puoliabsorptiosyvyys taajuudella 1 MHz

Taulukko 5.2. Heijastuskerroin eri kudosten rajoilla

5.9. Tehtävät

1. Aaltojen heijastus pienistä epähomogeenisuuksista tulee havaittavaksi, kun niiden mitat ylittävät aallonpituuden. Arvioi munuaiskiven pienin koko d, joka voidaan havaita ultraäänidiagnostiikan avulla taajuudella ν = 5 MHz. Ultraääniaaltojen nopeus v= 1500 m/s.

Ratkaisu

Etsitään aallonpituus: λ \u003d v / ν \u003d 1500 / (5 * 10 6) \u003d 0,0003 m \u003d 0,3 mm. d > λ.

Vastaus: d > 0,3 mm.

2. Joissakin fysioterapeuttisissa toimenpiteissä käytetään ultraäänen taajuutta ν = 800 kHz ja intensiteettiä I = 1 W/cm 2. Selvitä pehmytkudosmolekyylien värähtelyamplitudi.

Ratkaisu

Mekaanisten aaltojen intensiteetti määritetään kaavalla (2.6)

Pehmytkudosten tiheys ρ « 1000 kg/m 3 .

ympyrätaajuus ω \u003d 2πν ≈ 2x3,14x800x10 3 ≈ 5x10 6 s -1;

ultraäänen nopeus pehmytkudoksessa ν ≈ 1500 m/s.

Intensiteetti on muutettava SI:ksi: I \u003d 1 W / cm 2 \u003d 10 4 W / m 2.

Korvaamalla numeeriset arvot viimeisessä kaavassa, löydämme:

Tällainen pieni molekyylien siirtymä ultraäänen kulun aikana osoittaa, että sen vaikutus ilmenee solutasolla. Vastaus: A = 0,023 um.

3. Teräsosien laatu tarkistetaan ultraäänivikatunnistimella. Millä syvyydellä kappaleessa havaittiin halkeama ja mikä on osan paksuus d, jos ultraäänisignaalin lähettämisen jälkeen vastaanotettiin kaksi heijastunutta signaalia 0,1 ms ja 0,2 ms jälkeen? Ultraääniaallon etenemisnopeus teräksessä on yhtä suuri v= 5200 m/s.

Ratkaisu

2h = tv →h = tv/2. Vastaus: h = 26 cm; d = 52 cm.

Luku ultraäänidiagnostiikan käsikirjan osasta I, jonka ovat kirjoittaneet Venäjän lääketieteellisen jatkokoulutuksen akatemian ultraäänidiagnostiikan osaston työntekijät (CD 2001), toimittanut Mitkov V.V.

(Artikkeli löytyi Internetistä)

1. Fyysiset ominaisuudet ultraääni
2. Heijastus ja sironta
3. Anturit ja ultraääniaalto
4. Hitaat skannauslaitteet
5. Pikaskannaustyökalut
6. Doppler-laitteet
7. Artefaktit
8. Ultraäänilaitteiden laadunvalvonta
9. Ultraäänen biologinen vaikutus ja turvallisuus
10. Ultraäänidiagnostiikan uusia suuntauksia
11. Kirjallisuus
12. Testikysymykset

ULTRAÄÄNEN FYSIKAALISET OMINAISUUDET

Ultraäänen käyttö lääketieteellisessä diagnostiikassa liittyy mahdollisuuteen saada kuvia sisäelimistä ja rakenteista. Menetelmän perustana on ultraäänen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa. Itse kuvanhankinta voidaan jakaa kahteen osaan. Ensimmäinen on lyhyiden ultraäänipulssien säteilytys, joka kohdistuu tutkittaviin kudoksiin, ja toinen on kuvan muodostus heijastuneiden signaalien perusteella. Ultraäänidiagnostiikkayksikön toimintaperiaatteen ymmärtäminen, ultraäänen fysiikan perusteiden tuntemus ja sen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa auttavat välttämään laitteen mekaanista, ajattelematonta käyttöä ja siten lähestymään diagnostiikkaprosessia pätevämmin .

Ääni on mekaaninen pitkittäisaalto, jossa hiukkasten värähtelyt ovat samassa tasossa energian etenemissuunnan kanssa (kuva 1).

Riisi. 1. Ultraääniaallon paineen ja tiheyden muutosten visuaalinen ja graafinen esitys.

Aalto kuljettaa energiaa, mutta ei ainetta. Toisin kuin sähkömagneettiset aallot (valo, radioaallot jne.), ääni vaatii väliaineen leviämiseen - se ei voi levitä tyhjiössä. Kuten kaikki aallot, ääntä voidaan kuvata useilla parametreilla. Näitä ovat taajuus, aallonpituus, etenemisnopeus väliaineessa, jakso, amplitudi ja intensiteetti. Taajuuden, jakson, amplitudin ja intensiteetin määrää äänilähde, etenemisnopeus määräytyy väliaineen ja aallonpituuden määrää sekä äänilähde että väliaine. Taajuus on täydellisten värähtelyjen (jaksojen) lukumäärä 1 sekunnin aikana (kuva 2).

Riisi. 2. Ultraääniaaltotaajuus 2 jaksoa 1 s = 2 Hz

Taajuusyksiköt ovat hertsi (Hz) ja megahertsi (MHz). Yksi hertsi on yksi värähtely sekunnissa. Yksi megahertsi = 1000000 hertsiä. Mikä tekee äänestä "ultra"? Tämä on taajuus. Kuuluvan äänen yläraja - 20 000 Hz (20 kilohertsiä (kHz)) - on ultraäänialueen alaraja. Lepakoiden ultraäänipaikantimet toimivat alueella 25÷500 kHz. Nykyaikaisissa ultraäänilaitteissa kuvan saamiseksi käytetään ultraääntä, jonka taajuus on vähintään 2 MHz. Jakso on aika, joka tarvitaan yhden täydellisen värähtelyjakson saavuttamiseen (kuva 3).

Riisi. 3. Ultraääniaallon jakso.

Jakson yksiköt ovat sekuntia (s) ja mikrosekuntia (µs). Yksi mikrosekunti on sekunnin miljoonasosa. Jakso (µs) = 1/taajuus (MHz). Aallonpituus on pituus, jonka yksi värähtely vie avaruudessa (kuva 4).

Riisi. 4. Aallonpituus.

Mittayksiköt ovat metri (m) ja millimetri (mm). Ultraäänen etenemisnopeus on nopeus, jolla aalto kulkee väliaineen läpi. Ultraäänen etenemisnopeuden yksiköt ovat metri sekunnissa (m/s) ja millimetri per mikrosekunti (mm/µs). Ultraäänen etenemisnopeus määräytyy väliaineen tiheyden ja elastisuuden mukaan. Ultraäänen etenemisnopeus kasvaa elastisuuden lisääntyessä ja väliaineen tiheyden pienentyessä. Taulukossa 2.1 on esitetty ultraäänen etenemisnopeus joissakin ihmiskehon kudoksissa.

Ultraäänen keskimääräinen etenemisnopeus ihmiskehon kudoksissa on 1540 m/s - useimmat ultraäänidiagnostiikkalaitteet on ohjelmoitu tälle nopeudelle. Ultraäänen etenemisnopeus (C), taajuus (f) ja aallonpituus (λ) liittyvät toisiinsa seuraavalla yhtälöllä: C = f × λ. Koska tässä tapauksessa nopeutta pidetään vakiona (1540 m/s), loput kaksi muuttujaa f ja λ on kytketty toisiinsa käänteisesti verrannollisella suhteella. Mitä suurempi taajuus, sitä lyhyempi aallonpituus ja sitä pienempiä kohteita voimme nähdä. Toinen tärkeä väliaineen parametri on akustinen impedanssi (Z). Akustinen vastus on väliaineen tiheyden ja ultraäänen etenemisnopeuden tulo. Resistanssi (Z) = tiheys (p) × etenemisnopeus (C).

Ultraäänidiagnostiikan kuvan saamiseksi ei käytetä ultraääntä, jota anturi lähettää jatkuvasti (vakioaalto), vaan ultraääntä, joka lähetetään lyhyiden pulssien muodossa (pulssi). Se syntyy, kun pietsosähköiseen elementtiin kohdistetaan lyhyitä sähköimpulsseja. Pulssiultraäänen karakterisointiin käytetään lisäparametreja. Pulssin toistotaajuus on aikayksikössä (sekunnissa) lähetettyjen pulssien lukumäärä. Pulssin toistotaajuus mitataan hertseinä (Hz) ja kilohertseinä (kHz). Pulssin kesto on yhden pulssin aikajakso (kuva 5).

Riisi. 5. Ultraäänipulssin kesto.

Se mitataan sekunteina (s) ja mikrosekunteina (µs). Käyttöaste on se osa ajasta, jonka aikana ultraäänisäteily (pulssien muodossa) tapahtuu. Spatiaalinen pulssin pituus (STP) on sen tilan pituus, johon yksi ultraäänipulssi sijoitetaan (kuva 6).

Riisi. 6. Pulssin spatiaalinen laajeneminen.

Pehmytkudoksissa pulssin spatiaalinen pituus (mm) on yhtä suuri kuin 1,54 (ultraäänen etenemisnopeus mm/µs) ja värähtelyjen (jaksojen) määrä pulssia kohti (n) jaettuna taajuudella MHz. Tai PPI = 1,54 × n/f. Pulssin spatiaalisen pituuden pieneneminen voidaan saavuttaa (ja tämä on erittäin tärkeää aksiaalisen resoluution parantamiseksi) vähentämällä pulssin värähtelyjen määrää tai lisäämällä taajuutta. Ultraääniaallon amplitudi on havaitun fyysisen muuttujan suurin poikkeama keskiarvosta (kuva 7).

Riisi. 7. Ultraääniaallon amplitudi

Ultraäänen intensiteetti on aallon tehon suhde alueeseen, jolle ultraäänivirtaus jakautuu. Se mitataan watteina neliösenttimetriä kohti (W/cm2). Samalla säteilyteholla, mitä pienempi vuon pinta-ala, sitä suurempi intensiteetti. Intensiteetti on myös verrannollinen amplitudin neliöön. Siten, jos amplitudi kaksinkertaistuu, intensiteetti nelinkertaistuu. Voimakkuus on epätasainen sekä virtauksen alueella että pulssiultraäänen tapauksessa ajan myötä.

Kun kuljetetaan minkä tahansa väliaineen läpi, ultraäänisignaalin amplitudi ja intensiteetti vähenevät, jota kutsutaan vaimenemiseksi. Ultraäänisignaalin vaimennus johtuu absorptiosta, heijastuksesta ja sironnasta. Vaimennusyksikkö on desibeli (dB). Vaimennuskerroin on ultraäänisignaalin vaimennus tämän signaalin reitin pituuden yksikköä kohden (dB/cm). Vaimennuskerroin kasvaa taajuuden kasvaessa. Taulukossa 2.2 on esitetty pehmytkudosten keskimääräiset vaimennuskertoimet ja kaikusignaalin intensiteetin lasku taajuudesta riippuen.

HEIJASTOINTI JA SIJOITUS

Kun ultraääni kulkee kudosten läpi väliaineen rajalla, jolla on erilainen akustinen vastus ja ultraäänen nopeus, tapahtuu heijastus-, taittumis-, sironta- ja absorptioilmiöitä. Kulmasta riippuen puhutaan ultraäänisäteen kohtisuorasta ja vinosta (kulmassa) osumisesta. Kun ultraäänisäde on kohtisuorassa, se voidaan heijastua kokonaan tai osittain, kulkea osittain kahden väliaineen rajan läpi; tässä tapauksessa väliaineesta toiseen siirtyvän ultraäänen suunta ei muutu (kuva 8).

Riisi. 8. Ultraäänisäteen tulo kohtisuorassa.

Heijastuneen ultraäänen ja väliaineen rajan läpi kulkeneen ultraäänen intensiteetti riippuu alkuintensiteetistä ja väliaineen akustisten impedanssien erosta. Heijastuneen aallon intensiteetin suhdetta tulevan aallon intensiteettiin kutsutaan heijastuskertoimeksi. Väliaineen rajan läpi kulkeneen ultraääniaallon intensiteetin suhdetta tulevan aallon intensiteettiin kutsutaan ultraäänen johtavuuskertoimeksi. Siten, jos kudoksilla on eri tiheydet, mutta sama akustinen impedanssi, ultraääni ei heijastu. Toisaalta akustisten impedanssien suurella erolla heijastuksen intensiteetti on yleensä 100 %. Esimerkki tästä on ilman ja pehmytkudosten rajapinta. Ultraäänen lähes täydellinen heijastus tapahtuu näiden välineiden rajalla. Ultraäänen johtumisen parantamiseksi ihmiskehon kudoksissa käytetään yhdistävää väliainetta (geeliä). Ultraäänisäteen vinossa tulokulmassa määritetään tulokulma, heijastuskulma ja taitekulma (kuva 9).

Riisi. 9. Heijastus, taittuminen.

Tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Taittuminen on muutos ultraäänisäteen etenemissuunnassa, kun se ylittää väliaineen rajan eri ultraäänenopeuksilla. Taitekulman sini on yhtä suuri kuin tulokulman sinin tulo arvolla, joka saadaan jakamalla ultraäänen etenemisnopeus toisessa väliaineessa ensimmäisen nopeudella. Taitekulman sini ja siten itse taittumiskulma, mitä suurempi, sitä suurempi on ero ultraäänen etenemisnopeuksissa kahdessa väliaineessa. Taittumista ei havaita, jos ultraäänen etenemisnopeudet kahdessa väliaineessa ovat yhtä suuret tai tulokulma on 0. Heijastamisesta puhuttaessa on pidettävä mielessä, että siinä tapauksessa, että aallonpituus on paljon suurempi kuin epäsäännöllisyyksien mitat heijastavan pinnan peiliheijastus tapahtuu (kuvattu yllä). Jos aallonpituus on verrattavissa heijastavan pinnan epäsäännöllisyyksiin tai itse väliaineessa on epähomogeenisuutta, tapahtuu ultraäänen sirontaa.

Riisi. 10. Takaisinsironta.

Takaisinsironnalla (kuva 10) ultraääni heijastuu siihen suuntaan, josta alkuperäinen säde tuli. Sironneiden signaalien intensiteetti kasvaa väliaineen epähomogeenisuuden kasvaessa ja ultraäänen taajuuden kasvaessa (eli aallonpituuden pienentyessä). Sironta riippuu suhteellisen vähän tulevan säteen suunnasta ja mahdollistaa siten heijastavien pintojen paremman visualisoinnin, puhumattakaan elimen parenkyymistä. Jotta heijastunut signaali sijoittuisi oikein näytölle, on välttämätöntä tietää lähetetyn signaalin suunnan lisäksi myös etäisyys heijastimeen. Tämä etäisyys on 1/2 väliaineessa olevan ultraäänen nopeuden ja heijastuneen signaalin lähettämisen ja vastaanoton välisen ajan tulosta (kuva 11). Nopeuden ja ajan tulo jaetaan puoliksi, koska ultraääni kulkee kaksinkertaista polkua (emitteristä heijastimeen ja takaisin), ja meitä kiinnostaa vain etäisyys emitterista heijastimeen.

Riisi. 11. Etäisyyden mittaus ultraäänellä.

ANTURIT JA ULTRAÄÄNIAALTO

Ultraäänen saamiseksi käytetään erityisiä muuntimia, jotka muuttavat sähköenergian ultraäänienergiaksi. Ultraäänen tuotanto perustuu käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen. Vaikutuksen ydin on, että jos tiettyihin materiaaleihin (pietsosähköihin) kohdistetaan sähköjännite, niiden muoto muuttuu (kuva 12).

Riisi. 12. Käänteinen pietsosähköinen vaikutus.

Tätä tarkoitusta varten ultraäänilaitteissa käytetään useimmiten keinotekoisia pietsosähköisiä materiaaleja, kuten lyijyzirkonaattia tai lyijytitanaattia. Sähkövirran puuttuessa pietsosähköinen elementti palaa alkuperäiseen muotoonsa, ja kun napaisuus muuttuu, muoto muuttuu jälleen, mutta päinvastaiseen suuntaan. Jos pietsosähköiseen elementtiin kohdistetaan nopea vaihtovirta, elementti alkaa supistua ja laajentua (eli värähtelee) suurella taajuudella, jolloin syntyy ultraäänikenttä. Anturin toimintataajuus (resonanssitaajuus) määräytyy pietsosähköisessä elementissä olevan ultraäänen etenemisnopeuden suhteesta tämän pietsosähköisen elementin kaksinkertaiseen paksuuteen. Heijastuneiden signaalien havaitseminen perustuu suoraan pietsosähköiseen vaikutukseen (kuva 13).

Riisi. 13. Suora pietsosähköinen vaikutus.

Paluusignaalit aiheuttavat pietsosähköisen elementin värähtelyjä ja vaihtosähkövirran ilmaantumista sen pinnoille. Tässä tapauksessa pietsoelementti toimii ultraäänianturina. Yleensä samoja elementtejä käytetään ultraäänilaitteissa ultraäänen lähettämiseen ja vastaanottamiseen. Siksi termit "muunnin", "muunnin", "anturi" ovat synonyymejä. Ultraäänianturit ovat monimutkaisia ​​laitteita, ja kuvan skannausmenetelmästä riippuen ne on jaettu sensoreihin hitaille skannauslaitteille (yksi elementti) ja nopea skannaus (reaaliaikainen skannaus) - mekaaninen ja elektroninen. Mekaaniset anturit voivat olla yksi- ja monielementtisiä (rengasmaisia). Ultraäänisäteen pyyhkäisy voidaan saavuttaa heiluttamalla elementtiä, pyörittämällä elementtiä tai heiluttamalla akustista peiliä (kuva 14).

Riisi. 14. Mekaanisen sektorin anturit.

Näytöllä oleva kuva on tässä tapauksessa sektorin (sektorianturit) tai ympyrän (pyöreät anturit) muotoinen. Elektroniset anturit ovat monielementtisiä ja ne voivat muodostuvan kuvan muodosta riippuen olla sektori-, lineaarisia, kupera (kupera) (kuva 15).

Riisi. 15. Elektroniset monielementtiset anturit.

Kuvan pyyhkäisy sektorisensorissa saavutetaan heiluttamalla ultraäänisädettä sen samanaikaisella tarkennuksella (kuva 16).

Riisi. 16. Elektroninen sektorianturi vaiheantennilla.

Lineaarisissa ja kuperaantureissa kuvan pyyhkäisy saadaan aikaan herättämällä elementtiryhmä niiden askel askeleelta liikkeellä antenniryhmää pitkin samanaikaisesti tarkentamalla (kuva 17).

Riisi. 17. Elektroninen lineaarinen anturi.

Ultraäänianturit eroavat yksityiskohdista, mutta niiden kaaviokuva on esitetty kuvassa 18.

Riisi. 18. Ultraäänianturilaite.

Levymäinen yksielementtianturi tuottaa jatkuvassa emissiotilassa ultraäänikentän, jonka muoto muuttuu etäisyyden mukaan (kuva 19).

Riisi. 19. Tarkentamattoman anturin kaksi kenttää.

Joskus voidaan havaita ylimääräisiä ultraääni "virtauksia", joita kutsutaan sivulohkoiksi. Etäisyyttä levystä lähikentän (vyöhykkeen) pituuteen kutsutaan lähivyöhykkeeksi. Läheisen rajan takana olevaa vyöhykettä kutsutaan kaukaiseksi. Lähialueen pituus on yhtä suuri kuin anturin halkaisijan neliön suhde 4 aallonpituuteen. Kaukoalueella ultraäänikentän halkaisija kasvaa. Ultraäänisäteen suurimman kaventumisen paikkaa kutsutaan tarkennusalueeksi ja anturin ja tarkennusalueen välistä etäisyyttä polttoväliksi. Ultraäänisäteen tarkentamiseen on useita tapoja. Yksinkertaisin tarkennusmenetelmä on akustinen linssi (kuva 20).

Riisi. 20. Tarkennus akustisella linssillä.

Sen avulla on mahdollista kohdistaa ultraäänisäde tiettyyn syvyyteen, joka riippuu linssin kaarevuudesta. Tämä tarkennusmenetelmä ei anna sinun muuttaa nopeasti polttoväliä, mikä on hankalaa käytännön työssä. Toinen tapa tarkentaa on käyttää akustista peiliä (kuva 21).

Riisi. 21. Tarkennus akustisella peilillä.

Tässä tapauksessa muuttamalla peilin ja anturin välistä etäisyyttä, muutamme polttoväliä. Nykyaikaisissa laitteissa, joissa on monielementtiset elektroniset anturit, tarkennus perustuu elektroniseen tarkennukseen (kuva 17). Elektronisella tarkennusjärjestelmällä voimme muuttaa polttoväliä kojetaulusta, mutta jokaista kuvaa kohden meillä on vain yksi tarkennusalue. Koska kuvan saamiseen käytetään erittäin lyhyitä ultraäänipulsseja, jotka lähetetään 1000 kertaa sekunnissa (pulssin toistotaajuus 1 kHz), laite toimii kaikuvastaanottimena 99,9 % ajasta. Tällaisella aikamarginaalilla laite voidaan ohjelmoida siten, että lähitarkennusalue (kuva 22) valittiin ensimmäisen kuvanoton yhteydessä ja tältä vyöhykkeeltä saatu tieto tallennettiin.

Riisi. 22. Dynaaminen tarkennusmenetelmä.

Lisäksi - seuraavan tarkennusalueen valinta, tiedon hankkiminen, tallennus. Ja niin edelleen. Tuloksena on yhdistelmäkuva, joka on tarkennettu koko syvyyteen. On kuitenkin huomattava, että tämä tarkennusmenetelmä vaatii huomattavan paljon aikaa yhden kuvan (kehyksen) saamiseksi, mikä aiheuttaa kuvanopeuden laskun ja kuvan välkkymisen. Miksi ultraäänisäteen tarkentamiseen panostetaan niin paljon? Tosiasia on, että mitä kapeampi säde, sitä parempi lateraalinen (sivusuuntainen, atsimuutti) resoluutio. Sivuresoluutio on pienin etäisyys kahden kohteen välillä, jotka sijaitsevat kohtisuorassa energian etenemissuuntaa vastaan ​​ja jotka esitetään monitorinäytöllä erillisinä rakenteina (kuva 23).

Riisi. 23. Dynaaminen tarkennusmenetelmä.

Sivuresoluutio on yhtä suuri kuin ultraäänisäteen halkaisija. Aksiaalinen resoluutio on pienin etäisyys kahden energian etenemissuunnassa sijaitsevan kohteen välillä, jotka esitetään monitorinäytöllä erillisinä rakenteina (kuva 24).

Riisi. 24. Aksiaalinen resoluutio: mitä lyhyempi ultraäänipulssi, sitä parempi se on.

Aksiaalinen resoluutio riippuu ultraäänipulssin avaruudellisesta laajuudesta - mitä lyhyempi pulssi, sitä parempi resoluutio. Pulssin lyhentämiseen käytetään sekä mekaanista että elektronista ultraäänivärähtelyn vaimennusta. Yleensä aksiaalinen resoluutio on parempi kuin lateraalinen.

HITAASTI SKANNAVAT LAITTEET

Tällä hetkellä hitaat (manuaaliset, monimutkaiset) skannauslaitteet ovat vain historiallisia. Moraalisesti he kuolivat nopeiden skannauslaitteiden (reaaliajassa toimivien laitteiden) myötä. Niiden pääkomponentit säilyvät kuitenkin myös nykyaikaisissa laitteissa (luonnollisesti modernia elementtipohjaa käyttäen). Sydän on tärkein pulssigeneraattori (nykyaikaisissa laitteissa - tehokas prosessori), joka ohjaa kaikkia ultraäänilaitteen järjestelmiä (kuva 25).

Riisi. 25. Kädessä pidettävän skannerin lohkokaavio.

Pulssigeneraattori lähettää sähköisiä impulsseja muuntimeen, joka tuottaa ultraäänipulssin ja lähettää sen kudokseen, vastaanottaa heijastuneet signaalit ja muuntaa ne sähköisiksi värähtelyiksi. Nämä sähköiset värähtelyt lähetetään sitten radiotaajuusvahvistimeen, joka on yleensä kytketty aika-amplitudivahvistussäätimeen (TAGU) - syvään kudosabsorption kompensointisäätimeen. Koska ultraäänisignaalin vaimennus kudoksissa tapahtuu eksponentiaalisen lain mukaan, näytöllä olevien kohteiden kirkkaus vähenee asteittain syvyyden kasvaessa (kuva 26).

Riisi. 26. Kudosabsorption kompensointi.

Käyttämällä lineaarista vahvistinta, ts. kaikki signaalit suhteellisesti vahvistava vahvistin ylivahvistaisi signaaleja anturin välittömässä läheisyydessä yrittäessään parantaa syvien kohteiden visualisointia. Logaritmisen vahvistimen käyttö ratkaisee tämän ongelman. Ultraäänisignaali vahvistetaan suhteessa sen paluuviiveeseen - mitä myöhemmin se palasi, sitä voimakkaampi vahvistus on. Siten TVG:n käyttö mahdollistaa saman kirkkauden kuvan saamisen ruudulle syvälle. Tällä tavalla vahvistettu radiotaajuinen sähköinen signaali syötetään sitten demodulaattoriin, jossa se tasasuunnataan ja suodatetaan, ja taas videovahvistimella vahvistettuna syötetään monitorin näyttöön.

Kuvan tallentamiseksi näyttöruudulle tarvitaan videomuisti. Se voidaan jakaa analogiseen ja digitaaliseen. Ensimmäiset monitorit mahdollistivat tietojen esittämisen analogisessa bistabiilissa muodossa. Diskriminaattoriksi kutsuttu laite mahdollisti erottelukynnyksen muuttamisen - signaalit, joiden voimakkuus oli alle erottelukynnyksen, eivät kulkeneet sen läpi ja näytön vastaavat osat pysyivät tummina. Signaalit, joiden intensiteetti ylitti erottelukynnyksen, esitettiin näytöllä valkoisina pisteinä. Tässä tapauksessa pisteiden kirkkaus ei riipu heijastuneen signaalin intensiteetin absoluuttisesta arvosta - kaikilla valkoisilla pisteillä oli sama kirkkaus. Tällä kuvanesitysmenetelmällä - sitä kutsuttiin "bistabiliksi" - korkean heijastavuuden omaavien elinten ja rakenteiden (esimerkiksi munuaisten poskiontelo) rajat olivat selvästi näkyvissä, mutta parenkymaalisten elinten rakennetta ei ollut mahdollista arvioida. 70-luvulla ilmestyi laitteita, jotka mahdollistivat harmaan sävyjen siirtämisen näyttöruudulle, merkitsi harmaasävylaitteiden aikakauden alkua. Nämä laitteet mahdollistivat sellaisten tietojen saamisen, joita ei ollut saavutettavissa bistabiilin kuvan omaavilla laitteilla. Tietotekniikan ja mikroelektroniikan kehitys mahdollisti pian siirtymisen analogisista kuvista digitaalisiin. Ultraäänilaitteissa digitaaliset kuvat muodostetaan suurille matriiseille (yleensä 512 × 512 pikseliä), joiden harmaasävy on 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bittiä). Kun renderöidään 20 cm:n syvyyteen 512 × 512 pikselin matriisissa, yksi pikseli vastaa 0,4 mm:n lineaarista mittaa. Nykyaikaisissa laitteissa on taipumus kasvattaa näyttöjen kokoa ilman kuvanlaadun heikkenemistä, ja keskitason instrumenteissa 12 tuuman (30 cm) näytöt ovat yleistymässä.

Ultraäänilaitteen (näyttö, näyttö) katodisädeputki käyttää terävästi fokusoitua elektronisädettä tuottamaan kirkkaan täplän näytölle, joka on päällystetty erityisellä loisteaineella. Taittolevyjen avulla tätä kohtaa voidaan siirtää näytön ympärillä.

klo Tyyppi pyyhkäisy (amplitudi) yhdelle akselille piirretään etäisyys anturista, toiselle - heijastuneen signaalin intensiteetti (kuva 27).

Riisi. 27. A-tyypin signaalinpyyhkäisy.

Nykyaikaisissa instrumenteissa A-tyypin pyyhkäisyä ei käytännössä käytetä.

B-tyyppinen skannaus (kirkkaus - kirkkaus) antaa sinun saada tietoa skannausviivaa pitkin heijastuneiden signaalien voimakkuudesta tämän viivan muodostavien yksittäisten pisteiden kirkkauden eron muodossa.

Näytön esimerkki: vasen pyyhkäisy B, oikealla - M ja kardiogrammi.

M-tyyppinen (joskus TM) sweep (Motion - liike) mahdollistaa heijastavien rakenteiden liikkeen (liikkeen) rekisteröinnin ajassa. Tässä tapauksessa heijastavien rakenteiden pystysuuntaiset siirtymät kirjataan eri kirkkauspisteiden muodossa ja vaakasuunnassa - näiden pisteiden sijainnin siirtymä ajassa (kuva 28).

Riisi. 28. M-tyyppinen lakaisukone.

Kaksiulotteisen tomografisen kuvan saamiseksi on tarpeen tavalla tai toisella siirtää skannausviivaa skannaustasoa pitkin. Hitaissa skannauslaitteissa tämä saavutettiin siirtämällä anturia manuaalisesti potilaan kehon pintaa pitkin.

NOPEA SKANNAUSLAITTEET

Nopeat skannerit tai, kuten niitä yleisemmin kutsutaan, reaaliaikaiset skannerit, ovat nyt täysin korvanneet hitaat tai manuaaliset skannerit. Tämä johtuu useista eduista, joita näillä laitteilla on: kyky arvioida elinten ja rakenteiden liikettä reaaliajassa (eli lähes samalla ajanhetkellä); tutkimukseen käytetyn ajan jyrkkä väheneminen; kyky suorittaa tutkimusta pienten akustisten ikkunoiden kautta.

Jos hitaita skannauslaitteita voidaan verrata kameraan (pysäytyskuvien saamiseen), niin reaaliaikaisia ​​laitteita voidaan verrata elokuvateatteriin, jossa still-kuvat (kehykset) korvaavat toisiaan suurella taajuudella luoden vaikutelman liikkeestä.

Nopeissa skannauslaitteissa, kuten edellä mainittiin, käytetään mekaanisia ja elektronisia sektoriantureita, elektronisia lineaarisia antureita, elektronisia kuperia (kuperia) antureita ja mekaanisia radiaaliantureita.

Jokin aika sitten puolisuunnikkaan muotoisia antureita ilmestyi useisiin laitteisiin, joiden näkökenttä oli puolisuunnikkaan muotoinen, mutta niillä ei kuitenkaan ollut etuja kupereihin antureisiin verrattuna, mutta niillä itsellään oli useita haittoja.

Tällä hetkellä paras anturi vatsaontelon, retroperitoneaalitilan ja pienen lantion elinten tutkimiseen on kupera. Siinä on suhteellisen pieni kosketuspinta ja erittäin suuri näkökenttä keski- ja kaukovyöhykkeillä, mikä yksinkertaistaa ja nopeuttaa tutkimusta.

Ultraäänisäteellä skannattaessa jokaisen säteen täydellisen läpäisyn tulosta kutsutaan kehykseksi. Kehys muodostuu suuresta määrästä pystyviivoja (kuva 29).

Riisi. 29. Kuvanmuodostus erillisillä riveillä.

Jokainen linja on vähintään yksi ultraäänipulssi. Pulssin toistotaajuus harmaasävykuvan saamiseksi nykyaikaisissa instrumenteissa on 1 kHz (1000 pulssia sekunnissa).

Pulssin toistonopeuden (PRF), kehyksen muodostavien juovien lukumäärän ja aikayksikköä kohti olevien kehysten lukumäärän välillä on suhde: PRF = rivien määrä × kuvataajuus.

Näyttöruudulla tuloksena olevan kuvan laatu määräytyy erityisesti viivan tiheyden mukaan. Lineaarisen anturin viivatiheys (viivaa/cm) on kehyksen muodostavien viivojen lukumäärän suhde sen näytön osan leveyteen, jolle kuva muodostetaan.

Sektorityyppiselle anturille viivatiheys (viivaa/aste) on kehyksen muodostavien juovien lukumäärän suhde sektorin kulmaan.

Mitä korkeampi kuvataajuus laitteessa on, sitä pienempi on kehyksen muodostavien juovien määrä (tietyllä pulssin toistotaajuudella), sitä pienempi on viivojen tiheys näyttöruudulla ja sitä huonompi on tuloksena olevan kuvan laatu. Mutta suurella kuvanopeudella meillä on hyvä ajallinen resoluutio, mikä on erittäin tärkeää kaikukardiografisissa tutkimuksissa.

DOPPLEROGRAFIALAITTEET

Ultraäänitutkimusmenetelmä mahdollistaa paitsi tiedon saamisen elinten ja kudosten rakenteellisesta tilasta, myös verisuonten virtausten karakterisoinnista. Tämä kyky perustuu Doppler-ilmiöön - vastaanotetun äänen taajuuden muutokseen, kun se liikkuu suhteessa äänen lähteen tai vastaanottimen välineeseen tai ääntä sirottavaan kappaleeseen. Se havaitaan johtuen siitä, että ultraäänen etenemisnopeus missä tahansa homogeenisessa väliaineessa on vakio. Siksi, jos äänilähde liikkuu tasaisella nopeudella, liikkeen suunnassa lähetetyt ääniaallot näyttävät kompressoituvan, mikä lisää äänen taajuutta. Aallot säteilivät vastakkaiseen suuntaan, ikään kuin venytettyinä, aiheuttaen äänen taajuuden laskun (kuva 30).

Riisi. 30. Doppler-ilmiö.

Vertaamalla alkuperäistä ultraäänen taajuutta modifioituun on mahdollista määrittää Doller-siirtymä ja laskea nopeus. Sillä ei ole väliä, lähettääkö äänen liikkuva esine vai heijastaako esine ääniaaltoja. Toisessa tapauksessa ultraäänilähde voi olla paikallaan (ultraäänianturi), ja liikkuvat punasolut voivat toimia ultraääniaaltojen heijastimena. Doppler-siirtymä voi olla joko positiivinen (jos heijastin liikkuu kohti äänilähdettä) tai negatiivinen (jos heijastin siirtyy pois äänilähteestä). Jos ultraäänisäteen tulosuunta ei ole yhdensuuntainen heijastimen liikesuunnan kanssa, Doppler-siirtymä on korjattava tulevan säteen ja heijastimen liikesuunnan välisen kulman q kosinilla. heijastin (kuva 31).

Riisi. 31. Tulevan säteen ja veren virtaussuunnan välinen kulma.

Doppler-tietojen saamiseksi käytetään kahden tyyppisiä laitteita - vakioaalto- ja pulssilaitteita. Jatkuvaaaltoisessa Doppler-instrumentissa anturi koostuu kahdesta muuntimesta: toinen niistä lähettää jatkuvasti ultraääntä, toinen vastaanottaa jatkuvasti heijastuneita signaaleja. Vastaanotin määrittää Doppler-siirtymän, joka on tyypillisesti -1/1000 ultraäänilähteen taajuudesta (äänialue) ja lähettää signaalin kaiuttimiin ja rinnakkain monitoriin aaltomuodon kvalitatiivista ja kvantitatiivista arviointia varten. Vakioaaltolaitteet havaitsevat verenvirtauksen lähes koko ultraäänisäteen reitillä, eli niillä on suuri ohjaustilavuus. Tämä voi aiheuttaa riittämättömien tietojen saamisen, kun useita astioita tulee kontrollitilavuuteen. Suuri kontrollitilavuus on kuitenkin hyödyllinen laskettaessa paineen laskua läppästenoosissa.

Verenvirtauksen arvioimiseksi tietyllä alueella on tarpeen sijoittaa kontrollitilavuus tutkittavalle alueelle (esimerkiksi tietyn suonen sisälle) visuaalisen valvonnan alaisena monitorin näytöllä. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä pulssilaitetta. Doppler-siirtymällä on yläraja, joka voidaan havaita pulssiinstrumenteilla (kutsutaan joskus Nyquistin rajaksi). Se on noin 1/2 pulssin toistotaajuudesta. Kun se ylittyy, Doppler-spektri vääristyy (aliasoituu). Mitä suurempi pulssin toistotaajuus, sitä suurempi Doppler-siirtymä voidaan määrittää ilman vääristymiä, mutta sitä pienempi instrumentin herkkyys hitaille virtauksille.

Koska kudoksiin suunnatut ultraäänipulssit sisältävät suuren joukon taajuuksia päätaajuuksien lisäksi, ja myös siitä, että virtauksen yksittäisten osien nopeudet eivät ole samat, heijastunut pulssi koostuu suuresta useita eri taajuuksia (kuva 32).

Riisi. 32. Ultraäänipulssin spektrin kuvaaja.

Nopean Fourier-muunnoksen avulla pulssin taajuuskoostumus voidaan esittää spektrinä, joka voidaan näyttää monitorin näytöllä käyränä, jossa Doppler-siirtotaajuudet piirretään vaakasuunnassa ja kunkin komponentin amplitudi piirretään pystysuunnassa. Doppler-spektristä on mahdollista määrittää suuri määrä verenvirtauksen nopeusparametreja (maksiminopeus, nopeus diastolin lopussa, keskinopeus jne.), mutta nämä indikaattorit ovat kulmasta riippuvaisia ​​ja niiden tarkkuus riippuu suuresti kulman korjauksen tarkkuus. Ja jos suurissa ei-kierteisissä suonissa kulman korjaus ei aiheuta ongelmia, niin pienissä mutkaisissa suonissa (kasvainsuonissa) on melko vaikea määrittää virtauksen suunta. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu useita lähes hiilestä riippumattomia indeksejä, joista yleisimmät ovat vastusindeksi ja pulsaatioindeksi. Vastusindeksi on enimmäis- ja miniminopeuksien eron suhde maksimivirtausnopeuteen (kuva 33). Pulsaatioindeksi on maksimi- ja miniminopeuksien eron suhde keskimääräiseen virtausnopeuteen.

Riisi. 33. Vastusindeksin ja pulsaattoriindeksin laskenta.

Doppler-spektrin saaminen yhdestä kontrollitilavuudesta mahdollistaa verenkierron arvioinnin hyvin pienellä alueella. Värivirtakuvaus (Color Doppler) tarjoaa reaaliaikaista 2D-virtaustietoa perinteisen 2D-harmaasävykuvauksen lisäksi. Väri-Doppler-kuvaus laajentaa kuvanoton pulssiperiaatteen mahdollisuuksia. Kiinteistä rakenteista heijastuvat signaalit tunnistetaan ja esitetään harmaasävyinä. Jos heijastuneen signaalin taajuus eroaa lähetetystä signaalista, se tarkoittaa, että se heijastui liikkuvasta kohteesta. Tässä tapauksessa määritetään Doppler-siirtymä, sen etumerkki ja keskinopeuden arvo. Näitä parametreja käytetään värin, sen kylläisyyden ja kirkkauden määrittämiseen. Tyypillisesti virtaussuunta anturin suuntaan on koodattu punaisella ja poispäin anturista sinisellä. Värin kirkkaus määräytyy virtausnopeuden mukaan.

Viime vuosina on ilmestynyt väri-Doppler-kartoituksen muunnos, nimeltään "teho-Doppler" (Power Doppler). Teho-Dopplerilla ei määritetä heijastuneen signaalin Doppler-siirtymän arvoa, vaan sen energiaa. Tämä lähestymistapa mahdollistaa menetelmän herkkyyden lisäämisen pienille nopeuksille ja sen tekemisen lähes kulmasta riippumattomaksi, vaikkakin menetetään kyky määrittää virtauksen nopeuden ja suunnan itseisarvo.

ARTIFAKTIT

Ultraäänidiagnostiikan artefakti on olemattomien rakenteiden esiintyminen kuvassa, olemassa olevien rakenteiden puuttuminen, rakenteiden väärä sijainti, rakenteiden väärä kirkkaus, väärät rakenteiden ääriviivat, väärät rakenteiden koot. Jälkikaiunta, yksi yleisimmistä artefakteista, tapahtuu, kun ultraäänipulssi osuu kahden tai useamman heijastavan pinnan väliin. Tällöin osa ultraäänipulssin energiasta heijastuu toistuvasti näiltä pinnoilta ja palaa joka kerta osittain anturiin säännöllisin väliajoin (kuva 34).

Riisi. 34. Kaiku.

Tämän seurauksena näyttöruudulle tulee olemattomia heijastavia pintoja, jotka sijaitsevat toisen heijastimen takana etäisyydellä, joka on yhtä suuri kuin ensimmäisen ja toisen heijastimen välinen etäisyys. Joskus on mahdollista vähentää jälkikaiunta muuttamalla anturin asentoa. Kaiun muunnelma on artefakti nimeltä "komeetan häntä". Se havaitaan, kun ultraääni aiheuttaa kohteen luonnollisia värähtelyjä. Tämä artefakti havaitaan usein pienten kaasukuplien tai pienten metalliesineiden takana. Koska koko heijastunut signaali ei aina palaa anturiin (kuva 35), syntyy tehokkaan heijastavan pinnan artefakti, joka on pienempi kuin todellinen heijastava pinta.

Riisi. 35. Tehokas heijastava pinta.

Tämän artefaktin vuoksi ultraäänellä määritetyt hammaskiven koot ovat yleensä hieman pienempiä kuin todelliset. Taittuminen voi aiheuttaa kohteen väärän sijainnin tuloksena olevassa kuvassa (kuva 36).

Riisi. 36. Tehokas heijastava pinta.

Siinä tapauksessa, että ultraäänen reitti anturista heijastavaan rakenteeseen ja takaisin ei ole sama, tuloksena olevassa kuvassa tapahtuu kohteen väärä sijainti. Peiliartefaktit ovat esineen ulkonäkö, joka sijaitsee vahvan heijastimen toisella puolella (kuva 37).

Riisi. 37. Peili artefakti.

Spekulaariset esineet esiintyvät usein aukon lähellä.

Akustinen varjoartefaktti (kuva 38) esiintyy ultraääntä voimakkaasti heijastavien tai voimakkaasti absorboivien rakenteiden takana. Akustisen varjon muodostumismekanismi on samanlainen kuin optisen varjon.

Riisi. 38. Akustinen varjo.

Distaalisen signaalin vahvistuksen artefakti (kuva 39) esiintyy ultraääntä heikosti absorboivien rakenteiden takana (nestemäiset, nestettä sisältävät muodostelmat).

Riisi. 39. Distaalinen kaiun vahvistus.

Sivuvarjojen artefakti liittyy ultraääniaaltojen taittumiseen ja joskus häiriöihin, kun ultraäänisäde putoaa tangentiaalisesti rakenteen kuperalle pinnalle (kysta, kohdunkaulan sappirakko), jonka ultraäänen nopeus poikkeaa merkittävästi ympäröivistä kudoksista ( kuva 40).

Riisi. 40. Sivuvarjot.

Ultraäänen nopeuden virheelliseen määritykseen liittyvät artefaktit johtuvat siitä, että ultraäänen todellinen etenemisnopeus tietyssä kudoksessa on suurempi tai pienempi kuin keskimääräinen (1,54 m/s) nopeus, jolle laite on ohjelmoitu (kuva 11). . 41).

Riisi. 41. Vääristymät, jotka johtuvat eroista ultraääninopeudessa (V1 ja V2) eri medioissa.

Ultraäänisäteen paksuuden aiheuttamat artefaktit ovat lähinnä nestettä sisältäviä elimiä lähellä seinää olevia heijastuksia, jotka johtuvat siitä, että ultraäänisäteellä on tietty paksuus ja osa tästä säteestä voi samanaikaisesti muodostaa kuvan elimestä ja kuvan viereisestä elimestä. rakenteet (kuva 42).

Riisi. 42. Ultraäänisäteen paksuuden artefakti.

ULTRAÄÄNILAITTEIDEN TOIMINNAN LAATUVALVONTA

Ultraäänilaitteiden laadunvalvontaan kuuluu järjestelmän suhteellisen herkkyyden määrittäminen, aksiaalinen ja lateraalinen resoluutio, kuollut alue, etäisyysmittarin oikea toiminta, rekisteröintitarkkuus, TVG:n oikea toiminta, harmaasävyn dynaamisen alueen määrittäminen jne. . Ultraäänilaitteiden toiminnan laadun valvomiseksi käytetään erityisiä testiesineitä tai kudosta vastaavia fantomeja (kuva 43). Niitä on kaupallisesti saatavilla, mutta niitä ei maassamme laajalti käytetä, minkä vuoksi ultraäänidiagnostiikkalaitteiden kalibrointi kentällä on lähes mahdotonta.

Riisi. 43. American Institute of Ultrasound in Medicinein testiobjekti.

ULTRAÄÄNEN BIOLOGINEN VAIKUTUS JA TURVALLISUUS

Ultraäänen biologista vaikutusta ja sen turvallisuutta potilaalle käsitellään jatkuvasti kirjallisuudessa. Ultraäänen biologisten vaikutusten tuntemus perustuu ultraäänen vaikutusmekanismien tutkimukseen, ultraäänen vaikutuksen tutkimukseen soluviljelmiin, kokeellisiin tutkimuksiin kasveilla, eläimillä ja lopuksi epidemiologisiin tutkimuksiin.

Ultraääni voi aiheuttaa biologisen vaikutuksen mekaanisten ja lämpövaikutusten kautta. Ultraäänisignaalin vaimennus johtuu absorptiosta, ts. ultraääniaaltoenergian muuntaminen lämmöksi. Kudosten kuumeneminen lisääntyy lähetetyn ultraäänen intensiteetin ja sen taajuuden kasvaessa. Kavitaatio on sykkivien kuplien muodostumista nesteessä, joka on täytetty kaasulla, höyryllä tai niiden seoksella. Yksi kavitaation syistä voi olla ultraääniaalto. Onko ultraääni siis haitallista vai ei?

Ultraäänen soluihin kohdistuviin vaikutuksiin liittyvä tutkimus, kokeellinen työ kasveilla ja eläimillä sekä epidemiologiset tutkimukset johtivat American Institute of Ultrasound in Medicine -tutkimukseen seuraavan lausunnon, joka vahvistettiin viimeksi vuonna 1993:

"Varmistettuja biologisia vaikutuksia potilailla tai laitteen parissa työskentelevillä henkilöillä ei ole koskaan raportoitu säteilyn (ultraääni), jonka voimakkuus on tyypillistä nykyaikaisille ultraäänidiagnostiikkalaitoksille, aiheuttamia. Vaikka on mahdollista, että tällaisia ​​biologisia vaikutuksia voidaan havaita tulevaisuudessa Nykyiset tiedot osoittavat, että diagnostisen ultraäänen järkevästä käytöstä potilaalle koituva hyöty on suurempi kuin mahdollinen riski."

UUSIA SUUNTAJA ULTRAÄÄNIDIAGNOOSISSA

Ultraäänidiagnostiikka kehittyy nopeasti, ultraäänidiagnostiikkalaitteita kehitetään jatkuvasti. Voimme olettaa useita pääsuuntia tämän diagnostisen menetelmän tulevalle kehitykselle.

Doppler-tekniikoiden edelleen parantaminen on mahdollista, erityisesti kuten teho-Doppler, kudosten Doppler-värikuvaus.

Kolmiulotteisesta kaikukuvauksesta voi tulevaisuudessa tulla erittäin tärkeä ultraäänidiagnostiikan alue. Tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla olevia ultraäänidiagnostiikkayksiköitä on useita, jotka mahdollistavat kolmiulotteisen kuvan rekonstruoinnin, mutta tämän suunnan kliininen merkitys on edelleen epäselvä.

Ultraäänikontrastien käytön käsitteen esittivät ensimmäisen kerran R.Gramiak ja P.M.Shah 60-luvun lopulla kaikukardiografisessa tutkimuksessa. Tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla oleva kontrasti "Ehovist" (Shering), jota käytetään oikean sydämen kuvantamiseen. Sitä on äskettäin muunnettu pienentämään kontrastihiukkasten kokoa ja se voidaan kierrättää ihmisen verenkiertoelimessä (Levovist, Schering). Tämä lääke parantaa merkittävästi Doppler-signaalia, sekä spektriä että väriä, mikä voi olla välttämätöntä kasvaimen verenvirtauksen arvioinnissa.

Intrakavitaarinen kaiku ultraohuilla sensoreilla avaa uusia mahdollisuuksia onttojen elinten ja rakenteiden tutkimukseen. Kuitenkin tällä hetkellä tämän tekniikan laajaa käyttöä rajoittaa erikoisanturien korkea hinta, jota voidaan lisäksi käyttää tutkimukseen rajoitetun määrän kertoja (1÷40).

Tietokonekuvankäsittely saadun tiedon objektivisointia varten on lupaava suunta, joka voi tulevaisuudessa parantaa parenkymaalisten elinten pienten rakennemuutosten diagnosoinnin tarkkuutta. Valitettavasti tähän mennessä saaduilla tuloksilla ei ole merkittävää kliinistä merkitystä.

Siitä huolimatta, mikä eilen näytti kaukaiselta tulevaisuudelta ultraäänidiagnostiikassa, on tullut nykyään yleiseksi rutiiniksi ja todennäköisesti lähitulevaisuudessa näemme uusien ultraäänidiagnostiikan tekniikoiden käyttöönoton kliinisessä käytännössä.

KIRJALLISUUS

1. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Bioeffects -komitea. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R14.
2. AIUM Biologisten vaikutusten tutkimusraporttien arviointi. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM turvallisuuslausunnot. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R69.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine. Lausunto kliinisestä turvallisuudesta. - J. Ultrasound Med. - 1984; 3:R10.
5. Banjavic RA. Diagnostisten ultraäänilaitteiden laadunvarmistuksen suunnittelu ja huolto. - Semin. Ultraääni - 1983; 4:10-26.
6. Bioefektien komitea. Diagnostisen ultraäänen turvallisuusnäkökohdat. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1991.
7. Bioeffects-konferenssin alakomitea. Diagnostisen ultraäänen biovaikutukset ja turvallisuus. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1993.
8. Eden A. Christian Dopplerin etsintä. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et ai. Doppler-ultraääni: fysiikka, instrumentointi ja kliiniset sovellukset. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gil RW. Verenvirtauksen mittaus ultraäänellä: tarkkuus ja virhelähteet. - Ultraääni Med. Biol. - 1985; 11:625-641.
11. Guyton AC. Lääketieteellisen fysiologian oppikirja. 7. painos. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter TV, Haber K. Reaaliaikaisen skannauksen vertailu tavanomaiseen staattiseen B-tilan skannaukseen. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2:363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Doppler-värivirtakuvaus. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau F.W. Biologiset vaikutukset ja mahdolliset vaarat. Julkaisussa: Campbell S, toim. Ultraääni synnytys- ja gynekologiassa. Lontoo, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau F.W. Taittumisen aiheuttama Doppler-kulmavirhe. - Ultraääni Med. Biol. - 1990; 16:523-524. - 1991; 17:97.
16. Kremkau F.W. Doppler-siirtotaajuustiedot. - J. Ultrasound Med. - 1987; 6:167.
17. Kremkau F.W. Ultraäänen turvallisuus ja pitkäaikaisvaikutukset: Mitä kerrot potilaillesi. Julkaisussa: Platt LD, toim. perinataalinen ultraääni; Clin. obstet. Gynecol. - 1984; 27:269-275.
18. Kremkau F.W. Tekniset aiheet (sarake, joka ilmestyy kahden kuukauden välein Reflections-osiossa). - J. Ultrasound Med. - 1983; 2.
19. Laing F.C. Kliinisessä ultraäänessä yleisesti havaitut artefaktit. - Semin. Ultraääni-1983; 4:27-43.
20. Merrit CRB, toim. Doppler-värikuvaus. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. hemodynamiikka. 2. painos. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Eläinten luotain. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O "Rourke MF. McDonald'sin verenvirtaus valtimoissa. Philadelphia, Lea & Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Käytännöllinen Doppler-ultraääni lääkärille. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Diagnostisen ultraäänen turvallisuusnäkökohdat. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Basic Doppler Physics. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
27. Zweibel WJ. Katsaus diagnostisen ultraäänen peruskäsitteisiin. - Semin. Ultraääni - 1983; 4:60-62.
28. Zwiebel WJ. Fysiikka. - Semin. Ultraääni - 1983; 4:1-62.
29. P. Golyamin, ch. toim. Ultraääni. Moskova, "Soviet Encyclopedia", 1979.

TESTIKYSYMYKSIÄ

1. Ultraäänitutkimusmenetelmän perusta on:
   A. elinten ja kudosten visualisointi laitteen näytöllä
   B. Ultraäänen vuorovaikutus ihmiskehon kudosten kanssa
   B. vastaanottaa kaikuja
   G. ultraäänisäteily
   D. kuvan harmaasävyesitys instrumentin näytöllä
2. Ultraääni on ääni, jonka taajuus ei ole pienempi kuin:
   a.15kHz
   B. 20000 Hz
   B. 1 MHz D. 30 Hz D. 20 Hz
3. Ultraäänen etenemisnopeus kasvaa, jos:
   A. väliaineen tiheys kasvaa
   B. väliaineen tiheys pienenee
   B. elastisuus kasvaa
   D. tiheys, elastisuuden kasvu
   D. tiheys pienenee, elastisuus kasvaa
4. Ultraäänen keskimääräinen etenemisnopeus pehmytkudoksissa on:
   A. 1450 m/s
   B. 1620 m/s
   B. 1540 m/s
   D. 1300 m/s
   D. 1420 m/s
5. Ultraäänen etenemisnopeus määräytyy:
   A. taajuus
   B. Amplitudi
   B. Aallonpituus
   G. jakso
   D. Keskiviikko
6. Aallonpituus pehmytkudoksissa kasvavalla taajuudella:
   A. vähenee
   B. pysyy ennallaan
   B. kasvaa
7. Ultraäänen etenemisnopeuden ja taajuuden arvoilla voimme laskea:
   A. Amplitudi
   B. jakso
   B. Aallonpituus
   D. amplitudi ja jakso E. jakso ja aallonpituus
8. Lisääntyvästi vaimennuskerroin pehmytkudoksissa:
   A. vähenee
   B. pysyy ennallaan
   B. kasvaa
9. Mikä seuraavista parametreista määrittää sen väliaineen ominaisuudet, jonka läpi ultraääni kulkee:
   a.vastus
   B. intensiteetti
   B. Amplitudi
   G-taajuus
   D. jakso
10. Mitä seuraavista parametreista ei voida määrittää muista saatavilla olevista parametreista:
    A. taajuus
    B. jakso
    B. Amplitudi
    G. Aallonpituus
    D. etenemisnopeus
11. Ultraääni heijastuu niiden välineiden rajalta, joilla on eroja:
    A. Tiheys
    B. Akustinen impedanssi
    B. ultraääninopeus
    G. elastisuus
    D. Ultraääninopeus ja kimmoisuus
12. Jotta voit laskea etäisyyden heijastimeen, sinun on tiedettävä:
    A. vaimennus, nopeus, tiheys
    B. vaimennus, vastus
    B. vaimennus, absorptio
    D. signaalin paluuaika, nopeus
    D. tiheys, nopeus
13. Ultraääni voidaan tarkentaa:
    a. vääntynyt elementti
    B. kaareva heijastin
    B. Linssi
    G. vaiheistettu antenni
    D. kaikki edellä mainitut
14. Aksiaalinen resoluutio määräytyy:
    A. keskittyminen
    B. kohteen etäisyys
    B. anturin tyyppi
    D. Keskiviikko
15. Poikittaisresoluutio määräytyy:
    A. keskittyminen
    B. kohteen etäisyys
    B. anturin tyyppi
    G. impulssin värähtelyjen lukumäärä
    D Keskiviikkona

Luku ultraäänidiagnostiikan oppaan osasta I,

kirjoittanut ultraäänidiagnostiikan osaston henkilökunta

Venäjän jatkokoulutuksen lääketieteellinen akatemia