Cu o scădere a frecvenței ultrasunetelor, adâncimea de penetrare. Ecografie. Fundamentele teoriei propagării undelor ultrasonice. Dispozitive de scanare lentă

Vibrații și valuri. Oscilațiile se numesc repetarea repetată a aceluiași proces sau aproape de același proces. Procesul de propagare a oscilațiilor într-un mediu se numește undă. Linia care indică direcția de propagare a undei se numește fascicul, iar limita care determină particulele oscilante din particulele mediului care nu au început încă să oscileze se numește front de undă.

Timpul pentru care se încheie un ciclu complet de oscilații se numește perioadă T și se măsoară în secunde. Valoarea ƒ \u003d 1 / T, care arată de câte ori pe secundă se repetă oscilația, se numește frecvență și se măsoară în c -1.

Valoarea ω, care arată numărul de rotații complete ale punctului din jurul circumferinței în 2T s, se numește frecvența circulară ω = 2 π / T = 2 π ƒ și se măsoară în radiani pe secundă (rad/s).

Faza de undă este un parametru care arată cât de mult din perioada a trecut de la începutul ultimului ciclu de oscilație.

Lungimea de undă λ este distanța minimă dintre două puncte care oscilează în aceeași fază. Lungimea de undă este legată de frecvența ƒ și viteza cu relația: λ = c / ƒ . O undă plană care se propagă de-a lungul axei X orizontale este descrisă prin formula:

u \u003d U cos (ω t - kx),

unde k = 2 π /λ. - numărul de undă; U - amplitudinea oscilației.

Din formula se poate observa că valoarea lui u se modifică periodic în timp și spațiu.

Deplasarea particulelor din poziția de echilibru u și presiunea acustică p sunt utilizate ca mărime care se modifică în timpul oscilațiilor.

În detectarea cu ultrasunete (SUA), oscilații cu o frecvență de 0,5 ... 15 MHz (lungimea de undă longitudinală în oțel 0,4 ... 12 mm) și o amplitudine de deplasare de 10 -11 ... oțel la o frecvență de 2 MHz , tensiuni acustice 10 ... 10 8 Pa).

Intensitatea undei I este egală cu I = р 2 /(2ρс) ,

unde ρ este densitatea mediului în care se propagă unda.

Intensitatea undelor utilizate pentru control este foarte scăzută (~10 -5 W/m2). În timpul detectării defectelor, nu se înregistrează intensitatea, ci amplitudinea undelor A. De obicei, atenuarea amplitudinii A „este măsurată în raport cu amplitudinea vibrațiilor A o (puls de sondare) excitate în produs, adică raportul. A" / A o. Pentru aceasta se folosesc unități logaritmice de decibeli (dB), adică. A "/ A o \u003d 20 Ig A" / A o.

Tipuri de valuri. În funcție de direcția oscilațiilor particulelor în raport cu fasciculul, se disting mai multe tipuri de unde.

O undă longitudinală este o undă în care mișcarea oscilativă a particulelor individuale are loc în aceeași direcție în care se propagă unda (Fig. 1).

O undă longitudinală se caracterizează prin faptul că în mediu există zone alternative de compresie și rarefacție, sau presiune înaltă și joasă, sau densitate mare și scăzută. Prin urmare, ele mai sunt numite unde de presiune, densitate sau compresie. Longitudinal se poate răspândi în solide, lichide, gaze.

Orez. 1. Oscilația particulelor medii v într-o undă longitudinală.

Forfecare (transversală) numită o astfel de undă în care particulele individuale oscilează într-o direcție perpendiculară pe direcția de propagare a undei. În acest caz, distanța dintre planurile individuale de oscilație rămâne neschimbată (Fig. 2).

Orez. 2. Oscilația particulelor medii v într-o undă transversală.

Undele longitudinale și transversale, care au primit denumirea generală de „unde ale corpului”, pot exista într-un mediu nelimitat. Acestea sunt cele mai utilizate pe scară largă pentru detectarea defectelor cu ultrasunete.

Viteza de propagare a unei unde longitudinale într-un corp solid nemărginit este determinată de expresie

unde E este modulul lui Young, definit ca raportul dintre mărimea forței de tracțiune aplicată unei anumite tije și deformația rezultată; v - raportul lui Poisson, care este raportul dintre modificarea lățimii tijei și modificarea lungimii acesteia, dacă tija este întinsă pe lungime; ρ este densitatea materialului.

Viteza undei de forfecare Într-un solid nemărginit este exprimată prin în felul următor:

Deoarece v ≈ 0,3 în metale, există o relație între undele longitudinale și transversale

c t ≈ 0,55 s l .

unde de suprafață(Undele Rayleigh) sunt unde elastice care se propagă de-a lungul limitei libere (sau ușor încărcate) a unui corp solid și care se amortizează rapid cu adâncimea. Unda de suprafață este o combinație de unde longitudinale și transversale. Particulele dintr-o undă de suprafață oscilează de-a lungul unei traiectorii eliptice (Fig. 3). Axa majoră a elipsei este perpendiculară pe graniță.

Deoarece componenta longitudinală care intră în unda de suprafață se descompune mai repede cu adâncimea decât componenta transversală, alungirea elipsei se modifică odată cu adâncimea.

Unda de suprafață are o viteză cu s = (0,87 + 1,12v) / (1+v)

Pentru metale cu s ≈ 0,93c t ≈ 0,51 c l .

În funcție de forma geometrică a frontului, se disting următoarele tipuri de valuri:

• sferic - o undă sonoră la o distanță mică de o sursă punctiformă de sunet;
• cilindric - o undă sonoră la mică distanță de sursa sonoră, care este un cilindru lung cu diametru mic;
• plat - un plan infinit oscilant o poate radia.

Presiunea într-o undă sonoră sferică sau plană este determinată de relația:

unde v este valoarea vitezei de vibrație.

Valoarea ρс = z se numește rezistență acustică sau impedanță acustică.

Orez. 3. Oscilația particulelor medii v într-o undă de suprafață.

Dacă impedanța acustică este mare, atunci mediul se numește dur, dacă impedanța este scăzută, - moale (aer, apă).

Normal (valuri în plăci), se numesc unde elastice care se propagă într-o placă solidă (strat) cu limite libere sau ușor încărcate.

Undele normale vin în două polarizări: verticală și orizontală. Dintre cele două tipuri de unde, cele mai utilizate în practică sunt undele Lamb - unde normale cu polarizare verticală. Ele apar ca rezultat al rezonanței în timpul interacțiunii unei unde incidente cu unde reflectate în mod multiplicat în interiorul plăcii.

Pentru a înțelege esența fizică a undelor din plăci, să luăm în considerare problema formării undelor normale într-un strat lichid (Fig. 4).

Orez. 4. Despre problema apariției voinței normale într-un strat de lichid.

Lasă o undă plană să cadă pe un strat de grosimea h din exterior sub un unghi β. Linia AD arată partea frontală a undei incidente. Ca rezultat al refracției la limită, în strat ia naștere o undă cu front CB, care se propagă sub un unghi α și suferă reflexii multiple în strat.

La un anumit unghi de incidență β, unda reflectată de pe suprafața inferioară coincide în fază cu unda directă care vine de pe suprafața superioară. Aceasta este condiția pentru apariția undelor normale. Unghiul a la care apare acest fenomen poate fi găsit din formulă

h cos α = n λ 2 / 2

Aici n este un număr întreg; λ 2 - lungimea de undă în strat.

Pentru un strat solid se pastreaza esenta fenomenului (rezonanta undelor corpului la incidenta oblica). Cu toate acestea, condițiile pentru formarea undelor normale sunt foarte complicate din cauza prezenței undelor longitudinale și transversale în placă. Diferite tipuri de unde care există pentru diferite valori ale lui n sunt numite moduri ale undelor normale. unde ultrasonice cu valori impare n se numesc simetrice, deoarece mișcarea particulelor din ele este simetrică față de axa plăcii. Se numesc undele cu valori pare ale lui n antisimetric(Fig. 5).

Orez. 5. Oscilația particulelor medii v într-o undă normală.

valuri capului. În condiții reale de testare cu ultrasunete de către un traductor înclinat, partea frontală a undei ultrasonice a elementului piezoelectric emițător are o formă neplană. De la emițătorul a cărui axă este orientată la primul unghi critic spre interfață, pe interfață cad și unde longitudinale cu unghiuri ceva mai mici și ceva mai mari decât primul critic. În acest caz, o serie de tipuri de unde ultrasonice sunt excitate în oțel.

O undă de suprafață longitudinală neomogenă se propagă de-a lungul suprafeței (Fig. 6). Această undă, constând din componente de suprafață și volum, se mai numește și leaky sau târâtoare. Particulele din această undă se deplasează de-a lungul traiectoriilor sub formă de elipse aproape de cercuri. Viteza de fază a undei de ieșire с в depășește ușor viteza undei longitudinale (pentru oțel с в = 1,04с l).

Aceste unde există la o adâncime aproximativ egală cu lungimea de undă și se degradează rapid în timpul propagării: amplitudinea undei scade de 2,7 ori mai repede la o distanță de 1,75λ. de-a lungul suprafeței. Slăbirea se datorează faptului că în fiecare punct al interfeței sunt generate unde transversale la un unghi α t2 egal cu al treilea unghi critic, numit unde laterale. Acest unghi este determinat din relație

sin α t2 = (c t2 - c l2)

pentru oţel α t2 = 33,5°.

Orez. 6. Câmp acustic al traductorului cu undă de cap: PET - traductor piezoelectric.

Pe lângă cel care curge, este excitat și un val de cap, care este utilizat pe scară largă în practica testării cu ultrasunete. Unda de cap se numește undă longitudinal-subsuprafață, excitată atunci când un fascicul de ultrasunete cade pe interfață la un unghi apropiat de primul critic. Viteza acestei unde este egală cu viteza undei longitudinale. Unda de cap își atinge valoarea amplitudinii sub suprafață de-a lungul fasciculului cu un unghi de intrare de 78°.

Orez. Fig. 7. Amplitudinea reflexiei undei de cap în funcție de adâncimea găurilor cu fund plat.

Unda de cap, ca și cea cu scurgeri, generează unde ultrasonice transversale laterale la al treilea unghi critic față de interfață. Concomitent cu excitarea unei unde longitudinale de suprafață, se formează o undă longitudinală de suprafață inversă - propagarea unei perturbații elastice în direcția opusă radiației directe. Amplitudinea sa este de ~100 de ori mai mică decât amplitudinea undei directe.

Unda de cap este insensibilă la neregularitățile suprafeței și reacționează numai la defectele aflate sub suprafață. Atenuarea amplitudinii undei longitudinal-subterane de-a lungul fasciculului de orice direcție are loc ca într-o undă longitudinală obișnuită, adică. proporțional cu l / r, unde r este distanța de-a lungul fasciculului.

Pe fig. 7 prezintă modificarea amplitudinii semnalului de eco de la găurile cu fund plat situate la diferite adâncimi. Sensibilitatea la defecte din apropierea suprafeței este aproape de zero. Amplitudinea maximă la o distanță de 20 mm se realizează pentru găurile cu fund plat situate la o adâncime de 6 mm.

Alte pagini conexe

Viteza de propagare a ultrasunetelor în beton variază de la 2800 la 4800 m/s, în funcție de structura și rezistența acestuia (Tabelul 2.2.2).

Tabelul 2.2.2

Măsurarea unei astfel de viteze în zone relativ mici (în medie 0,1-1 m) este o problemă tehnică relativ complexă care poate fi rezolvată doar cu nivel inalt dezvoltarea electronicii radio. Dintre toate metodele existente de măsurare a vitezei de propagare a ultrasunetelor, în ceea ce privește posibilitatea aplicării acestora pentru testarea materialelor de construcție, se pot distinge următoarele:

Metoda interferometrului acustic;

Metoda rezonanței;

Metoda undelor calatorii;

metoda impulsului.

Pentru a măsura viteza ultrasunetelor în beton, metoda pulsului este cea mai utilizată. Se bazează pe trimiterea repetată a impulsurilor ultrasonice scurte cu o rată de repetare de 30-60 Hz în beton și măsurarea timpului de propagare a acestor impulsuri la o anumită distanță, numită bază de sondare, i.e.

Prin urmare, pentru a determina viteza ultrasunetelor, este necesar să se măsoare distanța parcursă de puls (baza de sunet) și timpul necesar pentru propagarea ultrasunetelor de la locul de emisie la recepție. Baza sonoră poate fi măsurată cu orice dispozitiv cu o precizie de 0,1 mm. Timpul de propagare a ultrasunetelor în majoritatea aparatelor moderne este măsurat prin umplerea porților electronice cu impulsuri de numărare de înaltă frecvență (până la 10 MHz), al căror început corespunde momentului în care este emis pulsul, iar sfârșitul corespunde momentului în care ajunge. la receptor. O diagramă funcțională simplificată a unui astfel de dispozitiv este prezentată în fig. 2.2.49.

Schema funcționează după cum urmează. Oscilatorul principal 1 generează impulsuri electrice cu o frecvență de 30 până la 50 Hz, în funcție de designul dispozitivului, și pornește un generator de înaltă tensiune 2, care generează impulsuri electrice scurte cu o amplitudine de 100 V. Aceste impulsuri intră în emițător. , în care, folosind efectul piezoelectric, sunt transformate într-un pachet (de la 5 la 15 bucăți) de vibrații mecanice cu o frecvență de 60-100 kHz și sunt introduse prin lubrifiere acustică în produsul controlat. În același timp, se deschide poarta electronică, care sunt umplute cu impulsuri de numărare, iar scanerul este declanșat, începe mișcarea fasciculului de electroni de-a lungul ecranului tubului catodic (CRT).

Orez. 2.2.49. Schema funcțională simplificată a unui dispozitiv cu ultrasunete:

1 - generator principal; 2 - generator de impulsuri electrice de înaltă tensiune; 3 - emițător de impulsuri ultrasonice; 4 - articol controlat; 5 - receptor; 6 - amplificator; 7 - generator de formare porți; 8 - generator de impulsuri de numărare; 9 - scanner; 10 - indicator; 11 - procesor; 12 - bloc intrare coeficient; 13 - indicator digital al valorilor t,V,R

Unda de cap a unui pachet de oscilații mecanice ultrasonice, care a trecut prin produsul controlat al lungimii L, în timp ce petrece timpul t, intră în receptorul 5, în care este transformată într-un pachet de impulsuri electrice.

Explozia de impulsuri de intrare este amplificată în amplificatorul 6 și intră în scanerul vertical pentru control vizual pe ecranul CRT, iar primul impuls al acestei explozii închide poarta, oprind accesul impulsurilor de numărare. Astfel, porțile electronice au fost deschise pentru numărarea impulsurilor din momentul emiterii vibrațiilor ultrasonice până în momentul în care au ajuns la receptor, adică. timpul t. În continuare, contorul numără numărul de impulsuri de numărare care au umplut poarta, iar rezultatul este afișat pe indicatorul 13.

Unele dispozitive moderne, precum „Pulsar-1.1”, au un procesor și o unitate de intrare a coeficientului, cu ajutorul cărora se rezolvă ecuația analitică a dependenței „viteză-rezistență”, iar timpul t, viteza V și rezistența betonului R. sunt afișate pe afișajul digital.

Pentru a măsura viteza de propagare a ultrasunetelor în beton și alte materiale de construcție în anii 80, au fost produse în serie dispozitive cu ultrasunete UKB-1M, UK-10P, UK-10PM, UK-10PMS, UK-12P, UF-90PTs, Beton-5. , care ei înșiși bine recomandat.

Pe fig. 2.2.50 este dat forma generala dispozitiv UK-10PMS.

Orez. 2.2.50. Dispozitiv cu ultrasunete UK-10PMS

Factori care afectează viteza de propagare a ultrasunetelor în beton

Toate materialele din natură pot fi împărțite în două grupe mari, relativ omogene și cu un grad mare de eterogenitate sau eterogenitate. Materialele relativ omogene includ materiale precum sticla, apa distilată și alte materiale cu o densitate constantă în condiții normale și absența incluziunilor de aer. Pentru ei, viteza de propagare a ultrasunetelor în conditii normale practic constantă. În materialele eterogene, care includ majoritatea materialelor de construcție, inclusiv betonul, structura internă, interacțiunea microparticulelor și elementelor constitutive mari nu este constantă atât în ​​volum, cât și în timp. Structura lor include micro- și macropori, fisuri, care pot fi uscate sau umplute cu apă.

Aranjamentul reciproc al particulelor mari și mici este, de asemenea, instabil. Toate acestea duc la faptul că densitatea și viteza de propagare a ultrasunetelor în ele nu sunt constante și fluctuează într-o gamă largă. În tabel. 2.2.2 arată valorile densității ρ și ale vitezei de propagare a ultrasunetelor V pentru unele materiale.

În continuare, vom lua în considerare modul în care modificările parametrilor betonului, cum ar fi rezistența, compoziția și tipul de agregat grosier, cantitatea de ciment, umiditatea, temperatura și prezența armăturii afectează viteza de propagare a ultrasunetelor în beton. Aceste cunoștințe sunt necesare pentru o evaluare obiectivă a posibilității de a testa rezistența betonului prin metoda ultrasonică, precum și pentru eliminarea unui număr de erori de control asociate cu modificarea acestor factori.

Influența rezistenței betonului

Studiile experimentale arată că odată cu creșterea rezistenței betonului, viteza ultrasunetelor crește.

Acest lucru se explică prin faptul că valoarea vitezei, precum și valoarea rezistenței, depind de starea legăturilor intrastructurale.

După cum se poate observa din grafic (Fig. 2.2.51), dependența „viteză-rezistență” pentru betonul de diferite compoziții nu este constantă, din care rezultă că și alți factori, pe lângă rezistență, influențează această dependență.

Orez. 2.2.51. Relația dintre viteza ultrasunetelor V și rezistența R c pentru betoane de diverse compoziții

Din păcate, unii factori afectează viteza ultrasunetelor mai mult decât puterea, ceea ce este unul dintre dezavantajele grave ale metodei cu ultrasunete.

Dacă luăm beton cu compoziție constantă și modificăm rezistența prin adoptarea W/C diferită, atunci influența altor factori va fi constantă, iar viteza ultrasunetelor se va schimba numai din rezistența betonului. În acest caz, dependența „viteză-tărie” va deveni mai definită (Fig. 2.2.52).

Orez. 2.2.52. Dependență „viteză-rezistență” pentru o compoziție constantă a betonului, obținută la fabrica de produse din beton nr. 1 din Samara

Influența tipului și mărcii de ciment

Comparând rezultatele testării betoanelor pe ciment Portland obișnuit și pe alte cimenturi, se poate concluziona că compoziția mineralogică are un efect redus asupra dependenței „viteză-rezistență”. Influența principală este exercitată de conținutul de silicat tricalcic și de finețea măcinarii cimentului. Un factor mai important care influențează relația „viteză-rezistență” este consumul de ciment la 1 m 3 de beton, adică. doza lui. Odată cu creșterea cantității de ciment din beton, viteza ultrasunetelor crește mai lent decât rezistența mecanică a betonului.

Acest lucru se explică prin faptul că la trecerea prin beton, ultrasunetele se propagă atât în ​​agregatul grosier, cât și în partea de mortar care leagă granulele de agregat, iar viteza acestuia depinde într-o măsură mai mare de viteza de propagare în agregatul grosier. Cu toate acestea, rezistența betonului depinde în principal de rezistența componentei mortarului. Influența cantității de ciment asupra rezistenței betonului și a vitezei ultrasunetelor este prezentată în fig. 2.2.53.

Orez. 2.2.53. Efectul dozei de ciment asupra dependenței

"viteza-putere"

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

Influența raportului apă-ciment

Cu o scădere a W / C, densitatea și rezistența betonului cresc, respectiv, viteza ultrasunetelor crește. Cu o creștere a W / C, se observă o relație inversă. În consecință, modificarea W/C nu introduce abateri semnificative în dependența stabilită „viteză-rezistență. Prin urmare, la construirea curbelor de calibrare pentru modificarea rezistenței betonului, se recomandă utilizarea diferită W/C.

Vedeți InfluențaȘi cantitatea de agregat grosier

Tipul și cantitatea de umplutură grosieră au un impact semnificativ asupra modificării dependenței „viteză-rezistență”. Viteza ultrasunetelor în agregat, în special în cuarț, bazalt, calcar dur, granit, este mult mai mare decât viteza de propagare a acestuia în beton.

Tipul și cantitatea de agregat grosier afectează, de asemenea, rezistența betonului. Este în general acceptat că cu cât agregatul este mai puternic, cu atât rezistența betonului este mai mare. Dar uneori trebuie să faci față unui astfel de fenomen atunci când folosirea pietrei zdrobite mai puțin rezistente, dar cu o suprafață aspră, îți permite să obții beton cu o valoare Re mai mare decât atunci când folosești pietriș rezistent, dar cu o suprafață netedă.

Odată cu o ușoară modificare a consumului de piatră zdrobită, rezistența betonului se modifică ușor. În același timp, o astfel de modificare a cantității de umplutură grosieră are o mare influență asupra vitezei ultrasunetelor.

Pe măsură ce betonul este saturat cu piatră zdrobită, valoarea vitezei ultrasonice crește. Tipul și cantitatea de agregat grosier afectează legătura „viteză – rezistență” mai mult decât alți factori (Fig. 2.2.54 - 2.2.56)

Orez. 2.2.54. Influența prezenței agregatului grosier asupra dependenței „viteză-rezistență”:

1 - piatră de ciment; 2 - beton cu dimensiunea agregatului de până la 30 mm

Orez. 2.2.55. Dependența „viteză-rezistență” pentru betoane cu diferite finețe a agregatelor: 1-1 mm; 2-3 mm; 3-7 mm; 4-30 mm

Orez. 2.2.56. Dependența „viteză-rezistență” pentru beton cu umplutură din:

1-gresie; 2-calcar; 3-granit; 4-bazalt

Din grafice se poate observa că o creștere a cantității de piatră zdrobită pe unitatea de volum de beton sau o creștere a vitezei ultrasunetelor în acesta duce la o creștere a vitezei ultrasunetelor în beton mai intens decât rezistența.

Influența umidității și a temperaturii

Conținutul de umiditate al betonului are un efect ambiguu asupra rezistenței și vitezei ultrasonice. Odată cu creșterea conținutului de umiditate al betonului, rezistența la compresiune scade din cauza modificării legăturilor intercristaline, dar viteza ultrasunetelor crește, deoarece porii de aer și microfisurile sunt umplute cu apă, A mai repede în apă decât în ​​aer.

Temperatura betonului în intervalul de 5-40 ° C nu are practic niciun efect asupra rezistenței și vitezei, dar o creștere a temperaturii betonului întărit dincolo de intervalul specificat duce la o scădere a rezistenței și vitezei sale datorită creșterii microfisuri.

La temperaturi negative, viteza ultrasunetelor crește datorită transformării apei nelegate în gheață. Prin urmare, nu se recomandă determinarea rezistenței betonului prin metoda ultrasonică la o temperatură negativă.

Propagarea ultrasunetelor în beton

Betonul în structura sa este un material eterogen, care include o parte de mortar și agregat grosier. Partea de mortar, la rândul său, este o piatră de ciment întărită cu includerea de particule de nisip cuarțos.

În funcție de scopul betonului și de caracteristicile sale de rezistență, raportul dintre ciment, nisip, piatră zdrobită și apă variază. Pe lângă asigurarea rezistenței, compoziția betonului depinde de tehnologia de fabricație a produselor din beton armat. De exemplu, cu o tehnologie de producție a casetelor, este necesară o plasticitate mai mare a amestecului de beton, care se realizează printr-un consum crescut de ciment și apă. În acest caz, partea de mortar a betonului crește.

In cazul tehnologiei pe banc, in special pentru decoperirea imediata, se folosesc amestecuri rigide cu consum redus de ciment.

Volumul relativ de agregat grosier crește în acest caz. În consecință, având aceleași caracteristici de rezistență ale betonului, compoziția acestuia poate varia în limite largi. Formarea structurii betonului este influențată de tehnologia de fabricație a produselor: calitatea amestecării amestecului de beton, transportul acestuia, compactarea, tratarea termică și umiditatea în timpul întăririi. Rezultă de aici că proprietatea betonului întărit este influențată de un numar mare de factori, iar influența este ambiguă și aleatorie. Aceasta explică gradul ridicat de eterogenitate al betonului atât în ​​compoziție, cât și în proprietățile sale. Eterogenitatea și proprietățile diferite ale betonului se reflectă și în caracteristicile sale acustice.

În prezent, în ciuda numeroaselor încercări, nu a fost încă elaborată o schemă și o teorie unificate a propagării ultrasunetelor prin beton, ceea ce se explică prin ) În primul rând, prezența numeroșilor factori de mai sus care afectează rezistența și proprietățile acustice ale betonului în moduri diferite. Această situație este agravată de faptul că o teorie generală a propagării vibrațiilor ultrasonice printr-un material cu un grad înalt eterogenitate. Acesta este singurul motiv pentru care viteza ultrasunetelor în beton este determinată ca pentru un material omogen prin formula

unde L este calea parcursă de ultrasunete, m (bază);

t este timpul petrecut la trecerea acestei căi, μs.

Să luăm în considerare mai detaliat schema de propagare a ultrasunetelor pulsate prin beton ca printr-un material neomogen. Dar mai întâi, vom limita aria în care raționamentul nostru va fi valabil luând în considerare compoziția amestecului de beton, care este cel mai frecvent întâlnită în fabricile de beton armat și șantierele de construcții, constând din ciment, nisip de râu, agregat grosier și apă. În acest caz, vom presupune că rezistența agregatului grosier este mai mare decât rezistența betonului. Acest lucru este valabil atunci când se utilizează calcar, marmură, granit, dolomit și alte roci cu o rezistență de aproximativ 40 MPa ca agregat grosier. Să presupunem condiționat că betonul întărit este format din două componente: o piesă de mortar relativ omogenă cu densitatea ρ și viteza V și agregatul grosier cu ρ și V .

Având în vedere ipotezele și limitările de mai sus, betonul întărit poate fi considerat un mediu solid cu o impedanță acustică:

Să luăm în considerare schema de propagare a undei ultrasonice de cap de la emițătorul 1 la receptorul 2 prin betonul întărit cu grosimea L (Fig. 2.2.57).

Orez. 2.2.57. Schema de propagare a undei ultrasonice capului

in beton:

1 - emițător; 2 - receptor; 3 - strat de contact; 4 - propagarea undelor în granule; 5 - propagarea undelor în partea soluție

Unda ultrasonică de cap de la emițătorul 1 intră în primul rând în stratul de contact 3 situat între suprafața radiantă și beton. Pentru a trece prin stratul de contact al unei unde ultrasonice, aceasta trebuie umplută cu un lichid conductor sau lubrifiant, care este cel mai adesea folosit ca vaselină tehnică. După trecerea prin stratul de contact (în timpul t 0), unda ultrasonică este parțial reflectată în direcție inversă, iar restul va intra în beton. Cu cât stratul de contact este mai subțire în comparație cu lungimea de undă, cu atât partea mai mică a undei va fi reflectată.

După ce a intrat în grosimea betonului, valul de cap va începe să se propage în partea de mortar a betonului pe o zonă corespunzătoare diametrului emițătorului. După depășirea unei anumite distanțe Δ l 1, după timpul Δ t 1 undă de cap pe o anumită zonă va întâlni una sau mai multe granule agregate grosiere, parțial reflectate de ele, iar cele mai multe dintre ele vor intra în granule și vor începe să se propage în ele. Între granule, unda va continua să se propage prin partea soluției.

Ținând cont de condiția acceptată ca viteza ultrasunetelor în materialul de umplutură grosier să fie mai mare decât în ​​partea de mortar, distanța d, egală cu valoarea medie a diametrului pietrei zdrobite, unda care s-a propagat prin granule cu viteza V. 2 va fi primul care va trece, iar valul care a trecut prin partea de mortar va fi întârziat.

După trecerea prin primele granule de agregat grosier, valul se va apropia de interfața cu partea de mortar, se va reflecta parțial și va intra parțial în ea. În acest caz, granulele prin care a trecut valul de cap pot fi considerate în continuare surse sferice elementare de radiație a undelor ultrasonice în partea de mortar a betonului, la care se poate aplica principiul Huygens.

După ce a trecut prin soluție distanța minimă dintre granulele învecinate, unda de cap va intra în ele și va începe să se propage prin ele, transformându-le în următoarele surse elementare. Astfel, după timpul t, după ce a trecut întreaga grosime a betonului L și al doilea strat de contact 3, unda de cap va intra în receptor 2, unde va fi transformată într-un semnal electric.

Din schema avută în vedere rezultă că unda de cap de la emițătorul 1 la receptorul 2 se propagă de-a lungul căii care trece prin granulele de agregat grosier și partea de mortar care leagă aceste granule, iar această cale este determinată din condiția timpului minim petrecut t .

Prin urmare, timpul t este

unde este timpul petrecut la trecerea părții de mortar care leagă granulele;

Timpul necesar trecerii prin granule. Calea L parcursă de ultrasunete este egală cu

unde: este traseul total parcurs de valul de cap prin partea de mortar;

Calea totală parcursă de valul de cap prin granule.

Distanța totală L pe care o va parcurge unda arcului poate fi mai mare decât distanța geometrică dintre emițător și receptor, deoarece unda se propagă pe calea vitezei maxime și nu pe distanța geometrică minimă.

Timpul necesar ultrasunetelor pentru a trece prin straturile de contact trebuie scăzut din timpul total măsurat.

Undele care urmează unda de cap se propagă și ele pe calea vitezei maxime, dar în timpul mișcării lor vor întâlni unde reflectate de la interfața dintre granulele de agregat grosier și partea de mortar. Dacă diametrul granulelor este egal cu lungimea val sau jumătate din el, atunci poate apărea rezonanță acustică în interiorul granulei. Efectul interferenței și rezonanței poate fi observat în analiza spectrală a unui pachet de unde ultrasonice transmise prin beton cu diferite dimensiuni de agregat.

Schema de propagare a undei de cap a ultrasunetelor pulsate considerată mai sus este valabilă numai pentru betoanele cu proprietățile indicate la începutul secțiunii, adică. rezistența mecanică și viteza de propagare a ultrasunetelor în materialul din care se obțin granule de agregat grosier depășesc rezistența și viteza în partea de mortar a betonului. Astfel de proprietăți sunt posedate de majoritatea betoanelor utilizate în fabricile de beton armat și șantierele de construcții, care folosesc piatră zdrobită din calcar, marmură, granit. Pentru betonul de argilă expandată, betonul spumos, betonul cu umplutură de tuf, schema de propagare a ultrasunetelor poate fi diferită.

Valabilitatea schemei luate în considerare este confirmată de experimente. Deci, din fig. 2.2.54 se poate observa că atunci când se adaugă o anumită cantitate de piatră zdrobită piesei de ciment, viteza ultrasunetelor crește cu o ușoară creștere (și uneori scădere) a rezistenței betonului.

Pe fig. 2.2.56 se observă că odată cu creșterea vitezei ultrasunetelor în materialul de agregat grosier, viteza acestuia în beton crește.

Creșterea vitezei în betonul cu agregate mai mari (Fig. 2.2.55) se explică și prin această schemă, deoarece odată cu creșterea diametrului, traseul ultrasunetelor prin materialul agregat se prelungește.

Schema propusă de propagare a ultrasunetelor va face posibilă evaluarea obiectivă a capacităților metodei ultrasonice pentru detectarea defectelor și controlul rezistenței betonului.

Un capitol din volumul I al manualului de diagnosticare cu ultrasunete, scris de angajații Departamentului de Diagnostică cu ultrasunete al Academiei Medicale Ruse de Educație Postuniversitară, editat de Mitkov V.V.

PROPRIETĂȚI FIZICE ALE ULTRASUNETELOR

Utilizarea ultrasunetelor în diagnosticul medical este asociată cu posibilitatea obținerii unei imagini organe interne si structuri. Baza metodei este interacțiunea ultrasunetelor cu țesuturile corpului uman. Achiziția imaginii în sine poate fi împărțită în două părți. Prima este radiația unor impulsuri ultrasonice scurte direcționate în țesuturile studiate, iar a doua este formarea unei imagini pe baza semnalelor reflectate. Înțelegerea principiului de funcționare a unei unități de diagnosticare cu ultrasunete, cunoașterea elementelor de bază ale fizicii ultrasunetelor și a interacțiunii sale cu țesuturile corpului uman vor ajuta la evitarea utilizării mecanice, necugetate a dispozitivului și, prin urmare, la abordarea procesului de diagnosticare mai competent. .

Sunetul este mecanic undă longitudinală, în care oscilațiile particulelor sunt în același plan cu direcția de propagare a energiei (Fig. 1).

Orez. 1. Reprezentarea vizuală și grafică a modificărilor de presiune și densitate într-o undă ultrasonică.

Valul transportă energie, dar nu materie. Spre deosebire de undele electromagnetice (lumină, unde radio etc.), sunetul necesită un mediu pentru a se propaga - nu se poate propaga în vid. Ca toate undele, sunetul poate fi descris printr-o serie de parametri. Acestea sunt frecvența, lungimea de undă, viteza de propagare în mediu, perioada, amplitudinea și intensitatea. Frecvența, perioada, amplitudinea și intensitatea sunt determinate de sursa sonoră, viteza de propagare este determinată de mediu, iar lungimea de undă este determinată atât de sursa de sunet, cât și de mediu. Frecvența este numărul de oscilații complete (cicluri) într-o perioadă de 1 secundă (Fig. 2).

Orez. 2. Frecvența undelor ultrasonice 2 cicluri în 1 s = 2 Hz

Unitățile de frecvență sunt hertzi (Hz) și megaherți (MHz). Un hertz este o oscilatie pe secunda. Un megahertz = 1000000 herți. Ce face sunetul „ultra”? Aceasta este frecvența. Limita superioară a sunetului audibil - 20.000 Hz (20 kiloherți (kHz)) - este limita inferioară a intervalului de ultrasunete. Localizatoarele cu ultrasunete ale liliecilor funcționează în intervalul 25÷500 kHz. În dispozitivele moderne cu ultrasunete, ultrasunetele cu o frecvență de 2 MHz și mai mare sunt folosite pentru a obține o imagine. Perioada este timpul necesar pentru a obține un ciclu complet de oscilație (Fig. 3).

Orez. 3. Perioada undei ultrasonice.

Unitățile perioadei sunt secunde (s) și microsecunde (µs). O microsecundă este o milioneme dintr-o secundă. Perioada (µs) = 1/frecvență (MHz). Lungimea de undă este lungimea pe care o ocupă o oscilație în spațiu (Fig. 4).

Orez. 4. Lungimea de undă.

Unitățile de măsură sunt metrul (m) și milimetrul (mm). Viteza de propagare a ultrasunetelor este viteza cu care unda se deplasează prin mediu. Unitățile de măsură ale vitezei de propagare a ultrasunetelor sunt metru pe secundă (m/s) și milimetru pe microsecundă (mm/µs). Viteza de propagare a ultrasunetelor este determinată de densitatea și elasticitatea mediului. Viteza de propagare a ultrasunetelor crește odată cu creșterea elasticității și scăderea densității mediului. Tabelul 2.1 arată viteza de propagare a ultrasunetelor în unele țesuturi ale corpului uman.

Viteza medie de propagare a ultrasunetelor în țesuturile corpului uman este de 1540 m/s - majoritatea dispozitivelor de diagnosticare cu ultrasunete sunt programate pentru această viteză. Viteza de propagare a ultrasunetelor (C), frecvența (f) și lungimea de undă (λ) sunt legate prin următoarea ecuație: C = f × λ. Deoarece în cazul nostru viteza este considerată constantă (1540 m/s), celelalte două variabile f și λ sunt interconectate printr-o relație invers proporțională. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică și obiectele pe care le putem vedea sunt mai mici. Un alt parametru important al mediului este impedanța acustică (Z). Rezistența acustică este produsul dintre valoarea densității mediului și viteza de propagare a ultrasunetelor. Rezistența (Z) = densitatea (p) × viteza de propagare (C).

Pentru a obține o imagine în diagnosticul cu ultrasunete nu se utilizează ultrasunetele, care sunt emise continuu de traductor (undă constantă), ci ultrasunetele emise sub formă de impulsuri scurte (pulsate). Este generată atunci când pe elementul piezoelectric sunt aplicate impulsuri electrice scurte. Parametrii suplimentari sunt utilizați pentru a caracteriza ultrasunetele pulsate. Rata de repetiție a impulsurilor este numărul de impulsuri emise într-o unitate de timp (secundă). Frecvența de repetare a pulsului este măsurată în herți (Hz) și kiloherți (kHz). Durata impulsului este intervalul de timp al unui impuls (Fig. 5).

Orez. 5. Durata pulsului ultrasonic.

Se măsoară în secunde (s) și microsecunde (µs). Factorul de ocupare este fracțiunea de timp în care are loc emisia (sub formă de impulsuri) de ultrasunete. Lungimea pulsului spațial (STP) este lungimea spațiului în care este plasat un impuls ultrasonic (Fig. 6).

Orez. 6. Extensia spațială a pulsului.

Pentru țesuturile moi, lungimea spațială a pulsului (mm) este egală cu produsul dintre 1,54 (viteza de propagare a ultrasunetelor în mm/µs) și numărul de oscilații (cicluri) pe impuls (n) împărțit la frecvența în MHz. Sau PPI = 1,54 × n/f. Se poate obține o scădere a lungimii spațiale a pulsului (și acest lucru este foarte important pentru îmbunătățirea rezoluției axiale) prin reducerea numărului de oscilații în puls sau creșterea frecvenței. Amplitudinea unei unde ultrasonice este abaterea maximă a variabilei fizice observate de la valoarea medie (Fig. 7).

Orez. 7. Amplitudinea undei ultrasonice

Intensitatea ultrasunetelor este raportul dintre puterea undei și zona pe care este distribuit fluxul ultrasonic. Se măsoară în wați pe centimetru pătrat (W/cm2). Cu o putere de radiație egală, cu cât aria fluxului este mai mică, cu atât intensitatea este mai mare. Intensitatea este, de asemenea, proporțională cu pătratul amplitudinii. Astfel, dacă amplitudinea se dublează, atunci intensitatea se dublează. Intensitatea este neuniformă atât pe zona fluxului, cât și, în cazul ultrasunetelor pulsate, în timp.

La trecerea prin orice mediu, va exista o scădere a amplitudinii și intensității semnalului ultrasonic, care se numește atenuare. Atenuarea unui semnal ultrasonic este cauzată de absorbție, reflexie și împrăștiere. Unitatea de atenuare este decibelul (dB). Coeficientul de atenuare este atenuarea unui semnal ultrasonic pe unitatea de lungime a traseului acestui semnal (dB/cm). Factorul de amortizare crește odată cu creșterea frecvenței. Coeficienții medii de atenuare în țesuturile moi și scăderea intensității semnalului ecou în funcție de frecvență sunt prezentate în Tabelul 2.2.

REFLECȚIE ȘI RĂSPĂRIRE

Când ultrasunetele trec prin țesuturi la limita mediilor cu rezistență acustică diferită și viteza ultrasunetelor, apar fenomene de reflexie, refracție, împrăștiere și absorbție. În funcție de unghi, se vorbește de incidența perpendiculară și oblică (la un unghi) a fasciculului ultrasonic. Cu o incidență perpendiculară a unui fascicul ultrasonic, acesta poate fi reflectat complet sau parțial reflectat, parțial trecut prin limita a două medii; în acest caz, direcția ultrasunetelor transferate de la un mediu la altul nu se modifică (Fig. 8).

Orez. 8. Incidența perpendiculară a fasciculului ultrasonic.

Intensitatea ultrasunetelor reflectate și a ultrasunetelor care a trecut prin limita mediilor depind de intensitatea inițială și de diferența de impedanțe acustice ale mediilor. Raportul dintre intensitatea undei reflectate și intensitatea undei incidente se numește coeficient de reflexie. Raportul dintre intensitatea unei unde ultrasonice care a trecut prin limita mediului și intensitatea undei incidente se numește coeficient de conducere a ultrasunetelor. Astfel, dacă țesuturile au densități diferite, dar aceeași impedanță acustică, nu va exista nicio reflectare a ultrasunetelor. Pe de altă parte, cu o diferență mare de impedanțe acustice, intensitatea reflexiei tinde spre 100%. Un exemplu în acest sens este interfața aer/țesut moale. Reflexia aproape completă a ultrasunetelor are loc la limita acestor medii. Pentru a îmbunătăți conducerea ultrasunetelor în țesuturile corpului uman, se folosesc medii de conectare (gel). Cu o incidență oblică a fasciculului ultrasonic, se determină unghiul de incidență, unghiul de reflexie și unghiul de refracție (Fig. 9).

Orez. 9. Reflecție, refracție.

Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie. Refracția este o schimbare a direcției de propagare a unui fascicul ultrasonic atunci când traversează limita mediilor cu viteze diferite ale ultrasunetelor. Sinusul unghiului de refracție este egal cu produsul sinusului unghiului de incidență la valoarea obținută din împărțirea vitezei de propagare a ultrasunetelor în al doilea mediu la viteza în primul. Sinusul unghiului de refracție și, în consecință, unghiul de refracție în sine, cu cât este mai mare, cu atât diferența dintre vitezele de propagare a ultrasunetelor în două medii este mai mare. Refracția nu se observă dacă vitezele de propagare a ultrasunetelor în două medii sunt egale sau unghiul de incidență este 0. Apropo de reflexie, trebuie avut în vedere că în cazul în care lungimea de undă este mult mai mare decât dimensiunile neregulilor. a suprafeței reflectorizante are loc reflexia speculară (descrisă mai sus). Dacă lungimea de undă este comparabilă cu neregularitățile suprafeței reflectorizante sau există o neomogenitate a mediului în sine, are loc împrăștierea ultrasunetelor.

Orez. 10. Backscatter.

Cu retrodifuzare (Fig. 10), ultrasunetele sunt reflectate în direcția din care a venit fasciculul original. Intensitatea semnalelor împrăștiate crește cu o creștere a neomogenității mediului și o creștere a frecvenței (adică, o scădere a lungimii de undă) a ultrasunetelor. Imprăștierea depinde relativ puțin de direcția fasciculului incident și, prin urmare, permite o mai bună vizualizare a suprafețelor reflectorizante, ca să nu mai vorbim de parenchimul de organ. Pentru ca semnalul reflectat să fie poziționat corect pe ecran, este necesar să se cunoască nu numai direcția semnalului emis, ci și distanța până la reflector. Aceasta distanta este egala cu 1/2 din produsul dintre viteza ultrasunetelor in mediu si timpul dintre emisia si receptia semnalului reflectat (Fig. 11). Produsul vitezei și timpului este împărțit la jumătate, deoarece ultrasunetele parcurg o cale dublă (de la emițător la reflector și înapoi) și ne interesează doar distanța de la emițător la reflector.

Orez. 11. Masurarea distantei cu ultrasunete.

Senzori și unde ultrasonice.

Pentru obținerea ultrasunetelor se folosesc traductoare speciale, care transformă energia electrică în energie cu ultrasunete. Producerea ultrasunetelor se bazează pe efectul piezoelectric invers. Esența efectului este că, dacă se aplică o tensiune electrică anumitor materiale (piezoelectrice), atunci forma acestora se va schimba (Fig. 12).

Orez. 12. Efect piezoelectric invers.

În acest scop, materialele piezoelectrice artificiale, cum ar fi zirconatul de plumb sau titanatul de plumb, sunt cel mai des folosite în dispozitivele cu ultrasunete. În absența curentului electric, elementul piezoelectric revine la forma sa inițială, iar când polaritatea se schimbă, forma se va schimba din nou, dar în sens opus. Dacă elementului piezoelectric este aplicat un curent alternativ rapid, atunci elementul va începe să se contracte și să se extindă (adică să oscileze) la o frecvență înaltă, generând un câmp ultrasonic. Frecvența de funcționare a traductorului (frecvența de rezonanță) este determinată de raportul dintre viteza de propagare a ultrasunetelor în elementul piezoelectric și de două ori grosimea acestui element piezoelectric. Detectarea semnalelor reflectate se bazează pe efectul piezoelectric direct (Fig. 13).

Orez. 13. Efect piezoelectric direct.

Semnalele de întoarcere provoacă oscilații ale elementului piezoelectric și apariția unui curent electric alternativ pe fețele acestuia. În acest caz, elementul piezo funcționează ca un senzor ultrasonic. De obicei, aceleași elemente sunt utilizate în dispozitivele cu ultrasunete pentru emiterea și recepția ultrasunetelor. Prin urmare, termenii „transductor”, „transductor”, „senzor” sunt sinonimi. Senzorii cu ultrasunete sunt dispozitive complexe și, în funcție de modul în care este scanată imaginea, sunt împărțiți în senzori pentru dispozitive de scanare lentă (un singur element) și scanare rapidă(scanare în timp real) - mecanic și electronic. Senzorii mecanici pot fi cu un singur element și multi-element (anulari). Măturarea fasciculului ultrasonic poate fi realizată prin balansarea elementului, rotirea elementului sau balansarea oglinzii acustice (Fig. 14).

Orez. 14. Senzori de sector mecanic.

Imaginea de pe ecran are în acest caz forma unui sector (senzori de sector) sau a unui cerc (senzori circulari). Senzorii electronici sunt multi-element și, în funcție de forma imaginii rezultate, pot fi sectoriali, liniari, convexe (convexe) (Fig. 15).

Orez. 15. Senzori electronici multi-element.

Măturarea imaginii în senzorul de sector se realizează prin balansarea fasciculului ultrasonic cu focalizarea sa simultană (Fig. 16).

Orez. 16. Senzor electronic sectorial cu antenă fază.

La senzorii liniari și convexi, măturarea imaginii este realizată prin excitarea unui grup de elemente cu mișcarea lor pas cu pas de-a lungul antenei cu focalizare simultană (Fig. 17).

Orez. 17. Senzor liniar electronic.

Senzorii cu ultrasunete diferă în detalii unul de celălalt, dar diagrama lor schematică este prezentată în Figura 18.

Orez. 18. Dispozitiv cu senzor cu ultrasunete.

Un traductor cu un singur element sub formă de disc în modul de radiație continuă formează un câmp ultrasonic, a cărui formă se modifică în funcție de distanță (Fig. 19).

Orez. 19. Două câmpuri ale unui traductor nefocalizat.

Uneori pot fi observate „fluxuri” ultrasonice suplimentare, numite lobi laterali. Distanța de la disc până la lungimea câmpului apropiat (zona) se numește zonă apropiată. Zona de dincolo de granița apropiatului se numește departe. Lungimea zonei apropiate este egală cu raportul dintre pătratul diametrului traductorului și 4 lungimi de undă. În zona îndepărtată, diametrul câmpului ultrasonic crește. Locul celei mai mari îngustări a fasciculului ultrasonic se numește zonă de focalizare, iar distanța dintre traductor și zona de focalizare se numește distanță focală. Exista diferite căi focalizarea fasciculului ultrasonic. Cea mai simplă metodă de focalizare este o lentilă acustică (Fig. 20).

Orez. 20. Focalizarea cu o lentilă acustică.

Cu acesta, puteți focaliza fasciculul ultrasonic la o anumită adâncime, care depinde de curbura lentilei. Această metodă de focalizare nu vă permite să schimbați rapid distanța focală, ceea ce este incomod în munca practică. Un alt mod de focalizare este folosirea unei oglinzi acustice (Fig. 21).

Orez. 21. Focalizarea cu o oglindă acustică.

În acest caz, prin modificarea distanței dintre oglindă și traductor, vom modifica distanța focală. În dispozitivele moderne cu senzori electronici multi-element, focalizarea se bazează pe focalizarea electronică (Fig. 17). Cu un sistem electronic de focalizare, putem modifica distanța focală de pe panoul de bord, totuși, pentru fiecare imagine vom avea o singură zonă de focalizare. Deoarece impulsuri ultrasunete foarte scurte emise de 1000 de ori pe secundă (frecvența de repetare a impulsului 1 kHz) sunt folosite pentru a obține imaginea, dispozitivul funcționează ca un receptor de ecou în 99,9% din timp. Având o astfel de marjă de timp, este posibil să programați dispozitivul în așa fel încât zona de focalizare apropiată (Fig. 22) să fie selectată în timpul primei achiziții de imagine și să fie salvate informațiile primite din această zonă.

Orez. 22. Metoda focalizării dinamice.

În continuare - selectarea următoarei zone de focalizare, obținerea de informații, salvarea. Și așa mai departe. Rezultatul este o imagine compozită care este focalizată pe toată adâncimea. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că această metodă de focalizare necesită o perioadă semnificativă de timp pentru a obține o imagine (cadru), ceea ce determină o scădere a ratei cadrelor și pâlpâirea imaginii. De ce se depun atât de mult efort în focalizarea fasciculului ultrasonic? Cert este că, cu cât fasciculul este mai îngust, cu atât rezoluția laterală (laterală, în azimut) este mai bună. Rezoluția laterală este distanța minimă dintre două obiecte situate perpendicular pe direcția de propagare a energiei, care sunt prezentate pe ecranul monitorului ca structuri separate (Fig. 23).

Orez. 23. Metoda focalizării dinamice.

Rezoluția laterală este egală cu diametrul fasciculului ultrasonic. Rezoluția axială este distanța minimă dintre două obiecte situate de-a lungul direcției de propagare a energiei, care sunt prezentate pe ecranul monitorului ca structuri separate (Fig. 24).

Orez. 24. Rezoluție axială: cu cât pulsul ultrasonic este mai scurt, cu atât este mai bun.

Rezoluția axială depinde de extinderea spațială a pulsului ultrasonic - cu cât pulsul este mai scurt, cu atât rezoluția este mai bună. Pentru a scurta pulsul, se utilizează atât amortizarea mecanică, cât și electronică a vibrațiilor ultrasonice. De regulă, rezoluția axială este mai bună decât rezoluția laterală.

DISPOZITIVE DE SCANARE LENTĂ

În prezent, dispozitivele de scanare lentă (manuală, complexă) prezintă doar interes istoric. Din punct de vedere moral, au murit odată cu apariția dispozitivelor de scanare rapidă (dispozitive care funcționează în timp real). Cu toate acestea, componentele lor principale sunt păstrate și în dispozitivele moderne (în mod firesc, folosind o bază de element modern). Inima este generatorul principal de impulsuri (în dispozitivele moderne - un procesor puternic), care controlează toate sistemele dispozitivului cu ultrasunete (Fig. 25).

Orez. 25. Schema bloc a unui scaner portabil.

Generatorul de impulsuri trimite impulsuri electrice traductorului, care generează un impuls ultrasonic și îl trimite către țesut, primește semnalele reflectate, transformându-le în vibrații electrice. Aceste oscilații electrice sunt apoi trimise la un amplificator de radiofrecvență, care este de obicei conectat la un controler de amplificare timp-amplitudine (TAGU) - un regulator de compensare a absorbției tisulare în profunzime. Datorită faptului că atenuarea semnalului ultrasonic în țesuturi are loc după o lege exponențială, luminozitatea obiectelor de pe ecran scade progresiv odată cu creșterea adâncimii (Fig. 26).

Orez. 26. Compensarea absorbției tisulare.

Folosind un amplificator liniar, de ex. un amplificator care amplifica proporțional toate semnalele ar supraamplifica semnalele din imediata vecinătate a senzorului atunci când încearcă să îmbunătățească vizualizarea obiectelor adânci. Utilizarea amplificatoarelor logaritmice rezolvă această problemă. Semnalul ultrasonic este amplificat proporțional cu timpul de întârziere al revenirii sale - cu cât a revenit mai târziu, cu atât amplificarea este mai puternică. Astfel, utilizarea TVG vă permite să obțineți pe ecran o imagine de aceeași luminozitate în profunzime. Semnalul electric de radiofrecvență amplificat în acest mod este apoi alimentat la un demodulator, unde este rectificat și filtrat, iar din nou amplificat pe un amplificator video este alimentat pe ecranul monitorului.

Pentru a salva imaginea pe ecranul monitorului, este necesară memoria video. Poate fi împărțit în analog și digital. Primele monitoare au permis ca informațiile să fie prezentate în formă analogică bistabilă. Un dispozitiv numit discriminator a făcut posibilă schimbarea pragului de discriminare - semnalele a căror intensitate era sub pragul de discriminare nu au trecut prin el și secțiunile corespunzătoare ale ecranului au rămas întunecate. Semnalele a căror intensitate a depășit pragul de discriminare au fost prezentate pe ecran ca puncte albe. În acest caz, luminozitatea punctelor nu depindea de valoarea absolută a intensității semnalului reflectat - toate punctele albe aveau aceeași luminozitate. Cu această metodă de prezentare a imaginii - a fost numită "bistabilă" - limitele organelor și structurilor cu reflectivitate ridicată (de exemplu, sinusul renal) erau clar vizibile, cu toate acestea, nu a fost posibil să se evalueze structura organelor parenchimatoase. Apariția în anii 70 a dispozitivelor care făceau posibilă transmiterea nuanțelor de gri pe ecranul monitorului a marcat începutul erei dispozitivelor în tonuri de gri. Aceste dispozitive au făcut posibilă obținerea de informații de neatins folosind dispozitive cu o imagine bistabilă. Dezvoltarea tehnologiei informatice și a microelectronicăi au făcut în curând posibilă trecerea de la imaginile analogice la cele digitale. Imaginile digitale din dispozitivele cu ultrasunete sunt formate pe matrici mari (de obicei 512 × 512 pixeli) cu o scară de gri de 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 biți). La randarea la o adâncime de 20 cm pe o matrice de 512 × 512 pixeli, un pixel va corespunde unei dimensiuni liniare de 0,4 mm. La instrumentele moderne există tendința de a crește dimensiunea afișajelor fără pierderea calității imaginii, iar la instrumentele de gamă medie, ecranele de 12 inchi (diagonala de 30 cm) devin obișnuite.

Tubul cu raze catodice al unui dispozitiv cu ultrasunete (afișaj, monitor) folosește un fascicul de electroni puternic focalizat pentru a produce un punct luminos pe un ecran acoperit cu un fosfor special. Cu ajutorul plăcilor de deviere, acest loc poate fi mutat în jurul ecranului.

La Un fel mătura (Amplitudine) pe o axă este trasată distanța de la senzor, pe cealaltă - intensitatea semnalului reflectat (Fig. 27).

Orez. 27. Măturarea semnalului de tip A.

În instrumentele moderne, măturarea de tip A nu este practic utilizată.

de tip B scanare (Luminozitate - luminozitate) vă permite să obțineți informații de-a lungul liniei de scanare despre intensitatea semnalelor reflectate sub forma unei diferențe de luminozitate a punctelor individuale care alcătuiesc această linie.

Exemplu de ecran: matura la stânga B, pe dreapta - Mși cardiogramă.

de tip M(uneori TM) sweep (Mișcare - mișcare) vă permite să înregistrați mișcarea (mișcarea) structurilor reflectorizante în timp. În acest caz, deplasările verticale ale structurilor reflectorizante sunt înregistrate sub formă de puncte de luminozitate diferită, iar pe orizontală - deplasarea poziției acestor puncte în timp (Fig. 28).

Orez. 28. Mătura de tip M.

Pentru a obține o imagine tomografică bidimensională, este necesar într-un fel sau altul să se deplaseze linia de scanare de-a lungul planului de scanare. În dispozitivele de scanare lentă, acest lucru a fost realizat prin deplasarea manuală a senzorului de-a lungul suprafeței corpului pacientului.

DISPOZITIVE DE SCANARE RAPIDĂ

Scanerele rapide sau, așa cum sunt numite mai frecvent, scanerele în timp real, au înlocuit acum complet scanerele lente sau manuale. Acest lucru se datorează unui număr de avantaje pe care aceste dispozitive le au: capacitatea de a evalua mișcarea organelor și structurilor în timp real (adică aproape în același moment în timp); o scădere bruscă a timpului alocat cercetării; capacitatea de a efectua cercetări prin ferestre acustice mici.

Dacă dispozitivele de scanare lentă pot fi comparate cu o cameră (obținând imagini statice), atunci dispozitivele în timp real pot fi comparate cu cinematograful, unde imaginile statice (cadrele) se înlocuiesc cu o frecvență mare, creând impresia de mișcare.

În dispozitivele de scanare rapidă, așa cum s-a menționat mai sus, sunt utilizați senzori mecanici și electronici de sector, senzori electronici liniari, senzori electronici convexi (convexi) și senzori radiali mecanici.

Cu ceva timp în urmă, pe o serie de dispozitive au apărut senzori trapezoidali, al căror câmp vizual avea o formă trapezoidală, cu toate acestea, nu prezentau avantaje față de senzorii convexi, dar ei înșiși aveau o serie de dezavantaje.

În prezent, cel mai bun senzor pentru examinarea organelor cavității abdominale, spațiului retroperitoneal și pelvisului mic este cel convex. Are o suprafață de contact relativ mică și un câmp vizual foarte mare în zonele mijlocii și îndepărtate, ceea ce simplifică și accelerează studiul.

Când scanați cu un fascicul ultrasonic, rezultatul fiecărei treceri complete a fasciculului se numește cadru. Cadrul este format dintr-un număr mare de linii verticale (Fig. 29).

Orez. 29. Formarea imaginii prin linii separate.

Fiecare linie este cel puțin un impuls ultrasonic. Rata de repetiție a pulsului pentru obținerea unei imagini în tonuri de gri în instrumentele moderne este de 1 kHz (1000 de impulsuri pe secundă).

Există o relație între rata de repetiție a pulsului (PRF), numărul de linii care formează un cadru și numărul de cadre pe unitatea de timp: PRF = numărul de linii × rata de cadre.

Pe ecranul monitorului, calitatea imaginii rezultate va fi determinată, în special, de densitatea liniei. Pentru un senzor liniar, densitatea liniei (linii/cm) este raportul dintre numărul de linii care formează un cadru și lățimea părții monitorului pe care este formată imaginea.

Pentru un senzor de tip sector, densitatea liniei (linii/grad) este raportul dintre numărul de linii care formează un cadru și unghiul sectorului.

Cu cât este mai mare rata de cadre setată în dispozitiv, cu atât este mai mic numărul de linii care formează un cadru (la o anumită rată de repetare a pulsului), cu atât densitatea liniilor de pe ecranul monitorului este mai mică și calitatea imaginii rezultate este mai scăzută. Dar la un frame rate ridicat, avem o rezoluție temporală bună, ceea ce este foarte important în studiile ecocardiografice.

DISPOZITIVE DOPPLEROGRAFIE

Metoda de cercetare cu ultrasunete permite nu numai obținerea de informații despre starea structurală a organelor și țesuturilor, ci și caracterizarea fluxurilor din vase. Această abilitate se bazează pe efectul Doppler - o schimbare a frecvenței sunetului primit atunci când se mișcă în raport cu mediul sursei sau receptorului sunetului sau al corpului care împrăștie sunetul. Se observă datorită faptului că viteza de propagare a ultrasunetelor în orice mediu omogen este constantă. Prin urmare, dacă sursa de sunet se mișcă cu o viteză constantă, undele sonore emise în direcția de mișcare par a fi comprimate, crescând frecvența sunetului. Undele radiau în sens opus, parcă întinse, determinând o scădere a frecvenței sunetului (Fig. 30).

Orez. 30. Efectul Doppler.

Prin compararea frecvenței ultrasunetelor inițiale cu cea modificată, este posibil să se determine deplasarea Doller și să se calculeze viteza. Nu contează dacă sunetul este emis de un obiect în mișcare sau dacă obiectul reflectă undele sonore. În al doilea caz, sursa de ultrasunete poate fi staționară (senzorul cu ultrasunete), iar eritrocitele în mișcare pot acționa ca un reflector al undelor ultrasonice. Deplasarea Doppler poate fi fie pozitivă (dacă reflectorul se deplasează către sursa de sunet) fie negativă (dacă reflectorul se îndepărtează de sursa de sunet). În cazul în care direcția de incidență a fasciculului ultrasonic nu este paralelă cu direcția de mișcare a reflectorului, este necesar să se corecteze deplasarea Doppler cu cosinusul unghiului q dintre fasciculul incident și direcția de mișcare a reflector (Fig. 31).

Orez. 31. Unghiul dintre fasciculul incident și direcția fluxului sanguin.

Pentru a obține informații Doppler, se folosesc două tipuri de dispozitive - cu undă constantă și în impulsuri. Într-un instrument Doppler cu undă continuă, traductorul este format din două traductoare: unul dintre ele emite în mod constant ultrasunete, celălalt primește constant semnale reflectate. Receptorul determină deplasarea Doppler, care este de obicei -1/1000 din frecvența sursei de ultrasunete (gama sonoră) și transmite semnalul către difuzoare și, în paralel, către monitor pentru evaluarea calitativă și cantitativă a formei de undă. Dispozitivele cu undă constantă detectează fluxul de sânge pe aproape întregul traseu al fasciculului de ultrasunete sau, cu alte cuvinte, au un volum mare de control. Acest lucru poate determina obținerea de informații inadecvate atunci când mai multe vase intră în volumul de control. Cu toate acestea, un volum mare de control este util în calcularea căderii de presiune în stenoza valvulară.

Pentru a evalua fluxul sanguin în orice zonă specifică, este necesar să plasați un volum de control în zona studiată (de exemplu, în interiorul unui anumit vas) sub control vizual pe ecranul monitorului. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unui dispozitiv cu impulsuri. Există o limită superioară a deplasării Doppler care poate fi detectată de instrumente cu pulsații (uneori numită limită Nyquist). Este aproximativ 1/2 din rata de repetare a pulsului. Când este depășit, spectrul Doppler este distorsionat (aliasing). Cu cât este mai mare frecvența de repetare a pulsului, cu atât deplasarea Doppler poate fi determinată fără distorsiuni, dar cu atât sensibilitatea instrumentului la fluxurile cu viteză mică este mai mică.

Datorită faptului că impulsurile ultrasonice direcționate în țesuturi conțin un număr mare de frecvențe în plus față de cea principală și, de asemenea, datorită faptului că vitezele secțiunilor individuale ale fluxului nu sunt aceleași, pulsul reflectat constă dintr-un mare număr de frecvențe diferite (Fig. 32).

Orez. 32. Graficul spectrului unui impuls ultrasonic.

Folosind transformata Fourier rapidă, compoziția de frecvență a pulsului poate fi reprezentată ca un spectru, care poate fi afișat pe ecranul monitorului ca o curbă, unde frecvențele de deplasare Doppler sunt reprezentate orizontal, iar amplitudinea fiecărei componente este reprezentată vertical. Este posibil să se determine un număr mare de parametri de viteză ai fluxului sanguin din spectrul Doppler (viteza maximă, viteza la sfârșitul diastolei, viteza medie etc.), cu toate acestea, acești indicatori sunt dependenți de unghi și acuratețea lor depinde foarte mult de acuratețea corecției unghiului. Și dacă în vasele mari netortuoase corecția unghiului nu provoacă probleme, atunci în vasele mici sinuoase (vasele tumorale) este destul de dificil să se determine direcția fluxului. Pentru a rezolva această problemă, au fost propuși o serie de indici aproape independenți de carbon, dintre care cei mai comuni sunt indicele de rezistență și indicele de pulsație. Indicele de rezistență este raportul dintre diferența dintre vitezele maxime și minime și debitul maxim (Fig. 33). Indicele de pulsație este raportul dintre diferența dintre vitezele maxime și minime și viteza medie a curgerii.

Orez. 33. Calculul indicelui de rezistență și al indicelui de pulsator.

Obținerea unui spectru Doppler dintr-un volum de control vă permite să evaluați fluxul sanguin într-o zonă foarte mică. Imaginile în flux color (Color Doppler) furnizează informații în timp real asupra fluxului 2D, în plus față de imaginile convenționale în scala de gri 2D. Imagistica Doppler color extinde posibilitățile principiului pulsat al achiziției de imagini. Semnalele reflectate de structurile imobile sunt recunoscute și prezentate în tonuri de gri. Dacă semnalul reflectat are o frecvență diferită de cea emisă, atunci aceasta înseamnă că a fost reflectat de un obiect în mișcare. În acest caz, se determină deplasarea Doppler, semnul acesteia și valoarea vitezei medii. Acești parametri sunt utilizați pentru a determina culoarea, saturația și luminozitatea acesteia. În mod obișnuit, direcția fluxului către senzor este codificată în roșu, iar în depărtare de senzor în albastru. Luminozitatea culorii este determinată de debitul.

ÎN anul trecut a apărut o variantă de cartografiere Doppler color, numită „power Doppler” (Power Doppler). Cu Doppler de putere, nu valoarea deplasării Doppler în semnalul reflectat este determinată, ci energia acestuia. Această abordare face posibilă creșterea sensibilității metodei la viteze mici și să o facă aproape independentă de unghi, deși cu prețul pierderii capacității de a determina valoarea absolută a vitezei și direcției fluxului.

ARTEFACTE

Un artefact în diagnosticarea cu ultrasunete este apariția unor structuri inexistente pe imagine, absența structurilor existente, locația greșită a structurilor, luminozitatea greșită a structurilor, contururile greșite ale structurilor, dimensiunile greșite ale structurilor. Reverberația, unul dintre cele mai comune artefacte, apare atunci când un impuls ultrasonic lovește între două sau mai multe suprafețe reflectorizante. În acest caz, o parte din energia pulsului ultrasonic este reflectată în mod repetat de pe aceste suprafețe, de fiecare dată revenind parțial la senzor la intervale regulate (Fig. 34).

Orez. 34. Reverb.

Rezultatul va fi apariția pe ecranul monitorului a suprafețelor reflectorizante inexistente, care vor fi situate în spatele celui de-al doilea reflector la o distanță egală cu distanța dintre primul și al doilea reflector. Uneori este posibil să se reducă reverberațiile prin schimbarea poziției senzorului. O variantă a reverberei este un artefact numit „coada cometă”. Se observă în cazul în care ultrasunetele provoacă oscilații naturale ale obiectului. Acest artefact este adesea observat în spatele unor mici bule de gaz sau a unor mici obiecte metalice. Datorită faptului că nu întotdeauna întregul semnal reflectat revine la senzor (Fig. 35), apare un artefact al suprafeței reflectorizante efective, care este mai mic decât suprafața reflectantă reală.

Orez. 35. Suprafata reflectorizanta eficienta.

Din cauza acestui artefact, dimensiunile calculilor determinate cu ajutorul ultrasunetelor sunt de obicei puțin mai mici decât cele adevărate. Refracția poate determina o poziție incorectă a obiectului în imaginea rezultată (Fig. 36).

Orez. 36. Suprafata reflectorizanta eficienta.

În cazul în care calea ultrasunetelor de la traductor la structura reflectorizantă și înapoi nu este aceeași, apare o poziție incorectă a obiectului în imaginea rezultată. Artefactele din oglindă sunt aspectul unui obiect situat pe o parte a unui reflector puternic pe cealaltă parte (Fig. 37).

Orez. 37. Artefact în oglindă.

Artefactele speculare apar adesea în apropierea deschiderii.

Artefactul umbră acustică (Fig. 38) apare în spatele structurilor care reflectă puternic sau absorb puternic ultrasunetele. Mecanismul de formare a unei umbre acustice este similar cu formarea uneia optice.

Orez. 38. Umbra acustica.

Artefactul de amplificare a semnalului distal (Fig. 39) apare în spatele structurilor care absorb slab ultrasunetele (formațiuni lichide, care conțin lichide).

Orez. 39. Amplificarea ecoului distal.

Artefactul umbrelor laterale este asociat cu refracția și, uneori, interferența undelor ultrasonice atunci când un fascicul de ultrasunete cade tangențial pe o suprafață convexă (chist, vezica biliară cervicală) a unei structuri, viteza ultrasunetelor în care diferă semnificativ de țesuturile din jur ( Fig. 40).

Orez. 40. Umbre laterale.

Artefactele asociate cu determinarea incorectă a vitezei ultrasunetelor apar din cauza faptului că viteza reală de propagare a ultrasunetelor într-un anumit țesut este mai mare sau mai mică decât viteza medie (1,54 m/s) pentru care este programat dispozitivul (Fig. . 41).

Orez. 41. Distorsiuni datorate diferentelor de viteza ultrasunetelor (V1 si V2) in diferite medii.

Artefactele de grosime a fasciculului cu ultrasunete sunt apariția, în principal în organele care conțin lichid, a reflexiilor din apropierea peretelui datorită faptului că fasciculul ultrasonic are o grosime specifică și o parte din acest fascicul poate forma simultan o imagine a unui organ și o imagine a unui organ adiacent. structuri (Fig. 42).

Orez. 42. Un artefact al grosimii fasciculului ultrasonic.

CONTROLUL CALITATII AL FUNCTIONARII ECHIPAMENTULUI ULTRASONIC

Controlul calității echipamentelor cu ultrasunete include determinarea sensibilității relative a sistemului, rezoluția axială și laterală, zona moartă, funcționarea corectă a contorului de distanță, acuratețea înregistrării, funcționarea corectă a TVG, determinarea intervalului dinamic al scalei de gri etc. . Pentru a controla calitatea funcționării dispozitivelor cu ultrasunete, se folosesc obiecte speciale de testare sau fantome echivalente de țesut (Fig. 43). Sunt disponibile comercial, dar nu sunt utilizate pe scară largă în țara noastră, ceea ce face aproape imposibilă calibrarea echipamentelor de diagnosticare cu ultrasunete în domeniu.

Orez. 43. Obiect de testare al Institutului American de Ultrasunete în Medicină.

EFECTUL BIOLOGIC AL ECOGRAFEI ŞI SIGURANŢĂ

Efectul biologic al ultrasunetelor și siguranța acestuia pentru pacient este discutat constant în literatură. Cunoașterea efectelor biologice ale ultrasunetelor se bazează pe studiul mecanismelor efectelor ultrasunetelor, studiul efectului ultrasunetelor asupra culturilor celulare, studii experimentale asupra plantelor, animalelor și, în final, asupra studiilor epidemiologice.

Ecografia poate provoca actiune biologica prin influenţe mecanice şi termice. Atenuarea semnalului ultrasonic se datorează absorbției, adică. transformarea energiei undelor ultrasonice în căldură. Încălzirea țesuturilor crește odată cu creșterea intensității ultrasunetelor emise și a frecvenței acestuia. Cavitația este formarea de bule pulsatoare într-un lichid umplut cu gaz, abur sau un amestec al acestora. Una dintre cauzele cavitației poate fi unda ultrasonică. Deci ultrasunetele sunt dăunătoare sau nu?

Cercetările legate de efectele ultrasunetelor asupra celulelor, lucrările experimentale la plante și animale și studiile epidemiologice au determinat Institutul American de Ultrasunete în Medicină să facă următoarea declarație, care a fost confirmată ultima dată în 1993:

„Nu au fost raportate vreodată efecte biologice confirmate la pacienții sau persoanele care lucrează la dispozitiv, cauzate de radiații (ultrasunete), a căror intensitate este tipică pentru unitățile moderne de diagnosticare cu ultrasunete. Deși este posibil ca astfel de efecte biologice să poată fi identificate în viitor, dovezile actuale indică faptul că beneficiul pentru pacient din utilizarea judicioasă a ultrasunetelor de diagnostic depășește riscul potențial, dacă există.”

NOI DIRECȚII ÎN DIAGNOSTICUL ECOGRAFICO

Există o dezvoltare rapidă a diagnosticului cu ultrasunete, îmbunătățirea continuă a dispozitivelor de diagnosticare cu ultrasunete. Putem presupune câteva direcții principale pentru dezvoltarea viitoare a acestei metode de diagnostic.

Este posibilă îmbunătățirea ulterioară a tehnicilor Doppler, în special, cum ar fi Power Doppler, imagistica color Doppler a țesuturilor.

Ecografia tridimensională în viitor poate deveni un domeniu foarte important al diagnosticului cu ultrasunete. În prezent, există mai multe unități de diagnostic cu ultrasunete disponibile în comerț care permit reconstrucția imaginii tridimensionale, totuși, în timp ce semnificația clinică a acestei direcții rămâne neclară.

Conceptul de utilizare a contrastelor cu ultrasunete a fost prezentat pentru prima dată de R.Gramiak și P.M.Shah la sfârșitul anilor șaizeci, în timpul unui studiu ecocardiografic. În prezent, există un contrast disponibil comercial „Ehovist” (Shering) utilizat pentru imagistica inimii drepte. Recent a fost modificat pentru a reduce dimensiunea particulelor de contrast și poate fi reciclat în sistemul circulator uman (Levovist, Schering). Acest medicament îmbunătățește semnificativ semnalul Doppler, atât spectral, cât și color, care poate fi esențial pentru evaluarea fluxului sanguin tumoral.

Ecografia intracavitară folosind senzori ultrasubțiri deschide noi posibilități pentru studiul organelor și structurilor goale. Cu toate acestea, în prezent, utilizarea pe scară largă a acestei tehnici este limitată de costul ridicat al senzorilor specializați, care, de altfel, pot fi utilizați pentru cercetare de un număr limitat de ori (1÷40).

Procesarea computerizată a imaginilor în scopul obiectivării informațiilor obținute este o direcție promițătoare care poate îmbunătăți acuratețea diagnosticării modificărilor structurale minore ale organelor parenchimatoase în viitor. Din păcate, rezultatele obținute până acum nu au o semnificație clinică semnificativă.

Cu toate acestea, ceea ce ieri părea un viitor îndepărtat în diagnosticul cu ultrasunete a devenit astăzi o practică de rutină comună și, probabil, în viitorul apropiat vom asista la introducerea în practica clinică a noilor tehnici de diagnostic cu ultrasunete.

1. Emițători și receptori de ultrasunete.

2. Absorbția ultrasunetelor în materie. Fluxuri acustice și cavitație.

3. Reflexia ultrasunetelor. Vedere sonoră.

4. Efectul biofizic al ultrasunetelor.

5. Utilizarea ultrasunetelor în medicină: terapie, chirurgie, diagnosticare.

6. Infrasunetele și sursele sale.

7. Impactul infrasunetelor asupra oamenilor. Utilizarea infrasunetelor în medicină.

8. Concepte și formule de bază. Mese.

9. Sarcini.

Ecografie -vibratii elasticeși unde cu frecvențe de la aproximativ 20x10 3 Hz (20 kHz) până la 10 9 Hz (1 GHz). Se numește intervalul de frecvență al ultrasunetelor de la 1 la 1000 GHz hipersonic. Frecvențele ultrasunetelor sunt împărțite în trei intervale:

ULF - ultrasunete de joasă frecvență (20-100 kHz);

USCH - ultrasunete de medie frecvență (0,1-10 MHz);

UZVCH - ultrasunete de înaltă frecvență (10-1000 MHz).

Fiecare gamă are propriile aplicații medicale specifice.

5.1. Emițători și receptori de ultrasunete

Electromecanic emițătoriȘi receptori americani folosiți fenomenul efectului piezoelectric, a cărui esență este explicată în Fig. 5.1.

Astfel de dielectrici cristalini precum cuarțul, sarea Rochelle etc. au proprietăți piezoelectrice pronunțate.

Emițători de ultrasunete

Electromecanic emițător de ultrasunete folosește fenomenul efectului piezoelectric invers și este format din următoarele elemente (Fig. 5.2):

Orez. 5.1. A - efect piezoelectric direct: compresia și întinderea plăcii piezoelectrice duce la apariția unei diferențe de potențial a semnului corespunzător;

b - efect piezoelectric invers:în funcție de semnul diferenței de potențial aplicat plăcii piezoelectrice, aceasta este comprimată sau întinsă

Orez. 5.2. emițător de ultrasunete

1 - plăci dintr-o substanță cu proprietăți piezoelectrice;

2 - electrozi depuși pe suprafața sa sub formă de straturi conductoare;

3 - un generator care furnizează electrozilor o tensiune alternativă cu frecvența necesară.

Când se aplică o tensiune alternativă electrozilor (2) de la generatorul (3), placa (1) suferă întindere și compresie periodică. Apar oscilații forțate, a căror frecvență este egală cu frecvența schimbării tensiunii. Aceste vibrații sunt transmise particulelor din mediu, creând o undă mecanică cu frecvența corespunzătoare. Amplitudinea oscilațiilor particulelor de mediu din apropierea radiatorului este egală cu amplitudinea oscilațiilor plăcii.

Particularitățile ultrasunetelor includ posibilitatea de a obține unde de intensitate mare chiar și la amplitudini de oscilație relativ mici, deoarece la o amplitudine dată densitatea

Orez. 5.3. Focalizarea unui fascicul de ultrasunete în apă cu o lentilă de plexiglas plan-concava (frecvența ultrasunetelor 8 MHz)

fluxul de energie este proportional cu frecvența la pătrat(vezi formula 2.6). Intensitatea limitativă a radiației ultrasunete este determinată de proprietățile materialului emițătorilor, precum și de caracteristicile condițiilor de utilizare a acestora. Intervalul de intensitate în timpul generării ultrasunetelor în regiunea UHF este extrem de larg: de la 10 -14 W/cm2 la 0,1 W/cm2.

În multe scopuri, sunt necesare intensități mult mai mari decât cele care pot fi obținute de la suprafața emițătorului. În aceste cazuri, puteți utiliza focalizarea. Figura 5.3 prezintă focalizarea ultrasunetelor cu o lentilă din plexiglas. Pentru obtinerea foarte larg Intensitățile ultrasunetelor folosesc metode mai complexe de focalizare. Deci, la focalizarea unui paraboloid, ai cărui pereți interiori sunt formați dintr-un mozaic de plăci de cuarț sau piezoceramice de titanit de bariu, la o frecvență de 0,5 MHz, se pot obține intensități ultrasunete de până la 10 5 W/cm 2 in apa.

Receptoare cu ultrasunete

Electromecanic receptori americani(Fig. 5.4) utilizează fenomenul efectului piezoelectric direct. În acest caz, sub acțiunea unei unde ultrasonice, apar oscilații ale plăcii de cristal (1),

Orez. 5.4. Receptor cu ultrasunete

în urma căreia pe electrozii (2) apare o tensiune alternativă, care este fixată de sistemul de înregistrare (3).

În majoritatea dispozitivelor medicale, generatorul de unde ultrasonice este utilizat simultan ca receptor al acestora.

5.2. Absorbția ultrasunetelor în materie. Curenți acustici și cavitație

Conform esenței fizice, ultrasunetele nu diferă de sunet și este o undă mecanică. Pe măsură ce se propagă, se formează zone alternative de condensare și rarefiere a particulelor de mediu. Vitezele de propagare a ultrasunetelor și a sunetului în medii sunt aceleași (în aer ~ 340 m/s, în apă și țesuturi moi ~ 1500 m/s). Cu toate acestea, intensitatea mare și lungimea scurtă a undelor ultrasonice dau naștere la o serie de caracteristici specifice.

Când ultrasunetele se propagă într-o substanță, are loc o tranziție ireversibilă a energiei unei unde sonore în alte tipuri de energie, în principal în căldură. Acest fenomen se numește absorbția sunetului. Scăderea amplitudinii oscilațiilor particulelor și a intensității US datorită absorbției este exponențială:

unde A, A 0 sunt amplitudinile oscilațiilor particulelor mediului în apropierea suprafeței substanței și la adâncimea h; I, I 0 - intensitatea corespunzătoare a undei ultrasonice; α- coeficient de absorbție, in functie de frecventa undei ultrasonice, temperatura si proprietatile mediului.

Coeficient de absorbție - inversul distanței la care amplitudinea undei sonore scade cu un factor de „e”.

Cu cât coeficientul de absorbție este mai mare, cu atât mediul absoarbe ultrasunetele mai puternic.

Coeficientul de absorbție (α) crește odată cu creșterea frecvenței ultrasunetelor. Prin urmare, atenuarea ultrasunetelor în mediu este de multe ori mai mare decât atenuarea unui sunet audibil.

Împreună cu coeficient de absorbție,și sunt utilizate ca caracteristici ale absorbției ultrasonice. adâncimea de semiabsorbție(H), care este legat de acesta printr-o relație inversă (H = 0,347/α).

Adâncimea semiabsorbției(H) este adâncimea la care intensitatea undei ultrasonice este redusă la jumătate.

Valorile coeficientului de absorbție și adâncimea semiabsorbției în diferite țesuturi sunt prezentate în tabel. 5.1.

În gaze și, în special, în aer, ultrasunetele se propagă cu mare atenuare. Lichidele și solidele (în special monocristalele) sunt, de regulă, buni conductori ai ultrasunetelor, iar atenuarea în ele este mult mai mică. Așadar, de exemplu, în apă atenuarea undelor ultrasonice, celelalte lucruri fiind egale, este de aproximativ 1000 de ori mai mică decât în ​​aer. Prin urmare, domeniile de utilizare ale UCH și UZVCH se referă aproape exclusiv la lichide și solide, iar în aer și gaze se folosește numai ULF.

Degajare de căldură și reacții chimice

Absorbția ultrasunetelor de către o substanță este însoțită de transferul energiei mecanice în energia internă a substanței, ceea ce duce la încălzirea acesteia. Cea mai intensă încălzire are loc în zonele adiacente interfețelor dintre medii, când coeficientul de reflexie este aproape de unitate (100%). Acest lucru se datorează faptului că, ca urmare a reflexiei, intensitatea undei de lângă graniță crește și, în consecință, crește cantitatea de energie absorbită. Acest lucru poate fi verificat experimental. Este necesar să atașați un emițător de ultrasunete la o mână udă. Curând, o senzație (asemănătoare cu durerea de la o arsură) apare pe partea opusă a palmei, cauzată de ultrasunetele reflectate de interfața piele-aer.

Țesuturile cu o structură complexă (plămânii) sunt mai sensibile la încălzirea cu ultrasunete decât țesuturile omogene (ficatul). Relativ multă căldură este eliberată la marginea țesuturilor moi și a osului.

Încălzirea locală a țesuturilor cu fracțiuni de grade contribuie la activitatea vitală a obiectelor biologice, crește intensitatea proceselor metabolice. Cu toate acestea, expunerea prelungită poate provoca supraîncălzire.

În unele cazuri, ultrasunetele focalizate sunt utilizate pentru efectele locale asupra structurilor individuale ale corpului. Acest efect vă permite să obțineți o hipertermie controlată, de exemplu. încălzirea până la 41-44 °C fără supraîncălzirea țesuturilor învecinate.

O creștere a temperaturii și scăderi mari de presiune care însoțesc trecerea ultrasunetelor pot duce la formarea de ioni și radicali care pot interacționa cu moleculele. În acest caz, pot apărea astfel de reacții chimice care nu sunt fezabile în condiții normale. Efectul chimic al ultrasunetelor se manifestă, în special, prin scindarea unei molecule de apă în radicali H + și OH -, urmată de formarea peroxidului de hidrogen H 2 O 2 .

Curenți acustici și cavitație

Undele ultrasunete de mare intensitate sunt însoțite de o serie de efecte specifice. Deci, propagarea undelor ultrasonice în gaze și lichide este însoțită de mișcarea mediului, care se numește flux acustic (Fig. 5.5, A). La frecvențele din domeniul UHF într-un câmp ultrasonic cu o intensitate de câțiva W / cm 2, poate apărea stropire de lichid (Fig. 5.5, b)și pulverizarea acestuia pentru a forma o ceață foarte fină. Această caracteristică a propagării ultrasunetelor este utilizată în inhalatoarele cu ultrasunete.

Printre fenomenele importante care apar în timpul propagării ultrasunetelor intense în lichide se numără cea acustică. cavitație - creșterea în câmpul ultrasonic al bulelor din disponibil

Orez. 5.5. a) fluxul acustic rezultat din propagarea ultrasunetelor cu o frecvență de 5 MHz în benzen; b) o fântână de lichid formată când un fascicul de ultrasunete cade din interiorul lichidului pe suprafața acestuia (frecvența ultrasunetelor 1,5 MHz, intensitate 15 W/cm2)

nuclee submicroscopice de gaz sau vapori în lichide cu dimensiuni de până la fracții de mm, care încep să pulseze cu o frecvență ultrasonică și să se prăbușească într-o fază de presiune pozitivă. Când bulele de gaz se prăbușesc, presiuni locale mari de ordin mii de atmosfere, sferic unde de soc. O acțiune mecanică atât de intensă asupra particulelor conținute în lichid poate duce la o varietate de efecte, inclusiv cele distructive, chiar și fără influența acțiunii termice a ultrasunetelor. Efectele mecanice sunt deosebit de semnificative sub acțiunea ultrasunetelor focalizate.

O altă consecință a prăbușirii bulelor de cavitație este o încălzire puternică a conținutului acestora (până la o temperatură de aproximativ 10.000 °C), însoțită de ionizarea și disocierea moleculelor.

Fenomenul de cavitație este însoțit de eroziunea suprafețelor de lucru ale emițătorilor, deteriorarea celulelor etc. Cu toate acestea, acest fenomen duce și la o serie de efecte benefice. Deci, de exemplu, în zona cavitației, are loc o amestecare îmbunătățită a substanței, care este utilizată pentru prepararea emulsiilor.

5.3. reflexia ultrasunetelor. viziune sonoră

Ca și în cazul tuturor tipurilor de unde, fenomenele de reflexie și refracție sunt inerente ultrasunetelor. Cu toate acestea, aceste fenomene sunt observabile numai atunci când dimensiunile neomogenităților sunt comparabile cu lungimea de undă. Lungimea undei ultrasonice este semnificativ mai mică decât lungimea undei sonore (λ = v/v). Deci, lungimile undelor sonore și ultrasonice în țesuturile moi la frecvențe de 1 kHz, respectiv 1 MHz, sunt egale: λ = 1500/1000 = 1,5 m;

1500/1.000.000 = 1,5x10 -3 m = 1,5 mm. În conformitate cu cele de mai sus, un corp cu dimensiunea de 10 cm practic nu reflectă sunetul cu o lungime de undă de λ = 1,5 m, ci este un reflector pentru o undă ultrasonică cu λ = 1,5 mm.

Eficiența de reflexie este determinată nu numai de relațiile geometrice, ci și de coeficientul de reflexie r, care depinde de raport impedanța undei x(vezi formulele 3.8, 3.9):

Pentru valorile lui x apropiate de 0, reflexia este aproape completă. Acesta este un obstacol în calea tranziției ultrasunetelor de la aer la țesuturile moi (x = 3x10 -4, r= 99,88%). Dacă emițătorul de ultrasunete este aplicat direct pe pielea umană, atunci ultrasunetele nu vor pătrunde în interior, ci vor fi reflectate de un strat subțire de aer între emițător și piele. În acest caz, valori mici X joacă un rol negativ. Pentru a elimina stratul de aer, suprafața pielii este acoperită cu un strat de lubrifiant adecvat (jeleu de apă), care acționează ca un mediu de tranziție care reduce reflexia. Dimpotrivă, pentru a detecta neomogenități în valori medii, mici X sunt un factor pozitiv.

Valorile coeficientului de reflexie la limitele diferitelor țesuturi sunt date în tabel. 5.2.

Intensitatea semnalului reflectat recepționat depinde nu numai de valoarea coeficientului de reflexie, ci și de gradul de absorbție a ultrasunetelor de către mediul în care se propagă. Absorbția unei unde ultrasonice duce la faptul că semnalul de eco reflectat dintr-o structură situată în adâncime este mult mai slab decât cel format la reflectarea dintr-o structură similară situată aproape de suprafață.

Pe baza reflectării undelor ultrasonice din neomogenități viziune sonora, utilizat în examenele medicale cu ultrasunete (ultrasunete). În acest caz, ultrasunetele reflectate din neomogenități (organe individuale, tumori) sunt transformate în vibrații electrice, iar acestea din urmă în vibrații ușoare, ceea ce face posibilă vizualizarea anumitor obiecte pe ecran într-un mediu opac la lumină. Figura 5.6 prezintă o imagine

Orez. 5.6. Imagine cu ultrasunete de 5 MHz a unui făt uman de 17 săptămâni

făt uman în vârstă de 17 săptămâni, obținut prin ecografie.

A fost creat un microscop cu ultrasunete la frecvențe din domeniul ultrasonic - un dispozitiv similar cu un microscop convențional, al cărui avantaj față de unul optic este că studiile biologice nu necesită colorarea preliminară a obiectului. Figura 5.7 prezintă fotografii ale globulelor roșii realizate cu microscoape optice și ultrasonice.

Orez. 5.7. Fotografii ale globulelor roșii obținute prin microscoape optice (a) și cu ultrasunete (b).

Odată cu creșterea frecvenței undelor ultrasonice, rezoluția crește (pot fi detectate neomogenități mai mici), dar puterea lor de penetrare scade, adică. adâncimea la care structurile de interes pot fi explorate scade. Prin urmare, frecvența ultrasunetelor este aleasă astfel încât să combine rezoluția suficientă cu profunzimea necesară a investigației. Deci, pentru o examinare cu ultrasunete a glandei tiroide, situată direct sub piele, se folosesc unde de 7,5 MHz, iar pentru studiul organelor abdominale se utilizează o frecvență de 3,5-5,5 MHz. În plus, se ține cont și de grosimea stratului de grăsime: pentru copiii slabi se folosește o frecvență de 5,5 MHz, iar pentru copiii supraponderali și adulți, o frecvență de 3,5 MHz.

5.4. Efectul biofizic al ultrasunetelor

Sub acțiunea ultrasunetelor asupra obiectelor biologice din organele și țesuturile iradiate la distanțe egale cu jumătate din lungimea de undă, pot apărea diferențe de presiune de la unități la zeci de atmosfere. Astfel de impacturi intense conduc la diverse efecte biologice, a căror natură fizică este determinată de acțiunea combinată a fenomenelor mecanice, termice și fizico-chimice care însoțesc propagarea ultrasunetelor în mediu.

Efectul general al ultrasunetelor asupra țesuturilor și asupra corpului în ansamblu

Efectul biologic al ultrasunetelor, de ex. modificările produse în activitatea vitală și în structurile obiectelor biologice atunci când sunt expuse la ultrasunete sunt determinate în principal de intensitatea și durata iradierii acesteia și pot avea atât efecte pozitive, cât și negative asupra activității vitale a organismelor. Astfel, oscilațiile mecanice ale particulelor care apar la intensități relativ scăzute ale ultrasunetelor (până la 1,5 W/cm 2 ) produc un fel de micromasaj tisular, care contribuie la un metabolism mai bun și la o mai bună aprovizionare a țesuturilor cu sânge și limfă. Încălzirea locală a țesuturilor prin fracții și unități de grade, de regulă, contribuie la activitatea vitală a obiectelor biologice, crescând intensitatea proceselor metabolice. unde ultrasonice micȘi mijloc intensitățile provoacă efecte biologice pozitive în țesuturile vii, stimulând fluxul proceselor fiziologice normale.

Utilizarea cu succes a ultrasunetelor la intensitățile indicate își găsește aplicație în neurologie în reabilitarea unor boli precum sciatica cronică, poliartrita, nevrita și nevralgia. Ultrasunetele sunt utilizate în tratamentul bolilor coloanei vertebrale, articulațiilor (distrugerea depozitelor de sare din articulații și cavități); în tratamentul diferitelor complicații după afectarea articulațiilor, ligamentelor, tendoanelor etc.

Ultrasunetele de intensitate mare (3-10 W / cm 2) au un efect dăunător asupra organelor individuale și asupra corpului uman în ansamblu. Ultrasunetele de mare intensitate pot provoca

în mediile biologice cavitația acustică însoțită de distrugerea mecanică a celulelor și țesuturilor. Expunerea intensă prelungită la ultrasunete poate duce la supraîncălzirea structurilor biologice și la distrugerea acestora (denaturarea proteinelor etc.). Expunerea la ultrasunete intense poate avea consecințe pe termen lung. De exemplu, cu expunerea prelungită la ultrasunete cu o frecvență de 20-30 kHz, care apar în unele condiții de producție, o persoană dezvoltă tulburări sistem nervos, oboseala crește, temperatura crește semnificativ, apare deficiențe de auz.

O ultrasunete foarte intensă este fatală pentru o persoană. Așadar, în Spania, 80 de voluntari au fost expuși la motoare cu ultrasunete turbulente. Rezultatele acestui experiment barbar au fost deplorabile: 28 de oameni au murit, restul au fost paralizați complet sau parțial.

Efectul termic produs de ultrasunetele de mare intensitate poate fi foarte semnificativ: cu iradierea ultrasonică cu o putere de 4 W / cm 2 timp de 20 s, temperatura țesuturilor corpului la o adâncime de 2-5 cm crește cu 5-6 ° C .

Pentru a preveni bolile profesionale la persoanele care lucrează la unități cu ultrasunete, atunci când este posibil contactul cu sursele de vibrații ultrasonice, este necesar să se folosească 2 perechi de mănuși pentru protejarea mâinilor: cauciuc exterior și interior - bumbac.

Acțiunea ultrasunetelor la nivel celular

Efectele fizice și chimice secundare pot sta la baza efectului biologic al SUA. Astfel, în timpul formării curenților acustici, se poate produce amestecarea structurilor intracelulare. Cavitația duce la ruptură legături moleculareîn biopolimeri și alți compuși vitali și la dezvoltarea reacțiilor redox. Ultrasunetele sporesc permeabilitatea membrane biologice, rezultând o accelerare a proceselor metabolice datorită difuziei. O modificare a fluxului de diferite substanțe prin membrana citoplasmatică duce la o modificare a compoziției mediului intracelular și a micromediului celulei. Acest lucru afectează rata reacțiilor biochimice care implică enzime care sunt sensibile la conținutul anumitor substanțe din mediu.

alți ioni. În unele cazuri, o modificare a compoziției mediului din interiorul celulei poate duce la o accelerare a reacțiilor enzimatice, care se observă atunci când celulele sunt expuse la ultrasunete de intensitate scăzută.

Multe enzime intracelulare sunt activate de ionii de potasiu. Prin urmare, odată cu creșterea intensității ultrasunetelor, efectul de suprimare a reacțiilor enzimatice în celulă devine mai probabil, deoarece concentrația ionilor de potasiu în mediul intracelular scade ca urmare a depolarizării membranelor celulare.

Efectul ultrasunetelor asupra celulelor poate fi însoțit de următoarele fenomene:

Încălcarea micromediului membranelor celulare sub forma unei modificări a gradienților de concentrație a diferitelor substanțe din apropierea membranelor, o schimbare a vâscozității mediului în interiorul și în afara celulei;

O modificare a permeabilității membranelor celulare sub formă de accelerare a difuziei normale și facilitate, o schimbare a eficienței transportului activ, o încălcare a structurii membranelor;

Încălcarea compoziției mediului intracelular sub forma unei modificări a concentrației diferitelor substanțe în celulă, o schimbare a vâscozității;

Modificări ale vitezei reacțiilor enzimatice din celulă datorită modificărilor concentrațiilor optime de substanțe necesare funcționării enzimelor.

O modificare a permeabilității membranelor celulare este un răspuns universal la expunerea la ultrasunete, indiferent care dintre factorii ultrasonici care acționează asupra celulei domină într-un anumit caz.

La o intensitate suficient de mare a ultrasunetelor, membranele sunt distruse. Cu toate acestea, celule diferite au rezistență diferită: unele celule sunt distruse la o intensitate de 0,1 W/cm2, altele la 25 W/cm2.

Într-un anumit interval de intensități, efectele biologice observate ale ultrasunetelor sunt reversibile. Limita superioară a acestui interval 0,1 W/cm2 la o frecvență de 0,8-2 MHz este luată ca prag. Depășirea acestei limite duce la modificări distructive pronunțate ale celulelor.

Distrugerea microorganismelor

Iradierea cu ultrasunete cu o intensitate care depășește pragul de cavitație este utilizată pentru a distruge bacteriile și virușii prezenți în lichid.

5.5. Utilizarea ultrasunetelor în medicină: terapie, chirurgie, diagnosticare

Deformarile sub influenta ultrasunetelor sunt folosite in macinarea sau dispersarea mediilor.

Fenomenul de cavitație este utilizat pentru obținerea de emulsii de lichide nemiscibile, pentru curățarea metalelor de calcar și pelicule grase.

terapie cu ultrasunete

Efectul terapeutic al ultrasunetelor se datorează factorilor mecanici, termici, chimici. Acțiunea lor comună îmbunătățește permeabilitatea membranelor, dilată vasele de sânge, îmbunătățește metabolismul, ceea ce ajută la restabilirea stării de echilibru a organismului. Un fascicul dozat de ultrasunete poate fi folosit pentru a masa ușor inima, plămânii și alte organe și țesuturi.

În otolaringologie, ultrasunetele afectează timpanul, mucoasa nazală. În acest fel, se realizează reabilitarea rinitei cronice, boli ale cavităților maxilare.

FONOFOREZA - introducerea medicamentelor în țesuturi prin porii pielii cu ajutorul ultrasunetelor. Această metodă este similară cu electroforeza, cu toate acestea, spre deosebire de câmpul electric, câmpul ultrasonic mișcă nu numai ionii, ci și neîncărcat particule. Sub acțiunea ultrasunetelor, permeabilitatea membranelor celulare crește, ceea ce contribuie la pătrunderea medicamentelor în celulă, în timp ce în timpul electroforezei, medicamentele sunt concentrate în principal între celule.

AUTOHEMOTERAPIE - injectarea intramusculară a propriului sânge al unei persoane prelevat dintr-o venă. Această procedură este mai eficientă dacă sângele prelevat este iradiat cu ultrasunete înainte de perfuzie.

Iradierea cu ultrasunete crește sensibilitatea celulei la expunere substanțe chimice. Acest lucru vă permite să creați mai puțin dăunătoare

vaccinuri, deoarece la fabricarea acestora pot fi utilizate concentrații mai mici de substanțe chimice.

Expunerea preliminară la ultrasunete îmbunătățește efectul radiațiilor γ și cu microunde asupra tumorilor.

În industria farmaceutică, ultrasunetele sunt folosite pentru a produce emulsii și aerosoli din anumite substanțe medicinale.

În fizioterapie, ultrasunetele sunt utilizate pentru expunerea locală, efectuată cu ajutorul unui emițător adecvat, contactul aplicat printr-o bază de unguent pe o anumită zonă a corpului.

chirurgie cu ultrasunete

Chirurgia cu ultrasunete este împărțită în două soiuri, dintre care una este asociată cu efectul vibrațiilor sonore asupra țesuturilor, a doua - cu impunerea vibrațiilor ultrasonice pe un instrument chirurgical.

Distrugerea tumorilor. Mai multe emițătoare montate pe corpul pacientului emit fascicule de ultrasunete care se concentrează asupra tumorii. Intensitatea fiecărui fascicul este insuficientă pentru a deteriora țesutul sănătos, dar în locul în care fasciculele converg, intensitatea crește și tumora este distrusă de cavitație și căldură.

În urologie, folosind acțiunea mecanică a ultrasunetelor, pietrele sunt zdrobite în tractul urinar și acest lucru salvează pacienții de operații.

Sudarea țesuturilor moi. Dacă puneți împreună două vase de sânge tăiate și le apăsați unul împotriva celuilalt, atunci după iradiere se formează o sudură.

Sudarea oaselor(osteosinteză cu ultrasunete). Zona de fractură este umplută cu țesut osos zdrobit amestecat cu un polimer lichid (ciacrină), care polimerizează rapid sub acțiunea ultrasunetelor. După iradiere, se formează o sudură puternică, care se dizolvă treptat și este înlocuită cu țesut osos.

Suprapunerea vibrațiilor ultrasonice pe instrumentele chirurgicale(bisturii, pile, ace) reduce semnificativ forțele de tăiere, reduce durerea, are efect hemostatic și sterilizant. Amplitudinea de oscilație a sculei de tăiere la o frecvență de 20-50 kHz este de 10-50 microni. Bisturiile cu ultrasunete permit operații în organele respiratorii fără a deschide pieptul,

operatii la esofag si pe vasele de sange. Prin introducerea unui bisturiu cu ultrasunete lung și subțire într-o venă, este posibil să se distrugă îngroșările de colesterol din vas.

Sterilizarea. Efectul distructiv al ultrasunetelor asupra microorganismelor este folosit pentru sterilizarea instrumentelor chirurgicale.

În unele cazuri, ultrasunetele sunt utilizate în combinație cu alte influențe fizice, de exemplu, cu criogenic,în tratamentul chirurgical al hemangioamelor și cicatricilor.

diagnosticul cu ultrasunete

Diagnosticul cu ultrasunete este un set de metode pentru studiul unui organism uman sănătos și bolnav, bazat pe utilizarea ultrasunetelor. Baza fizică a diagnosticului cu ultrasunete este dependența parametrilor de propagare a sunetului în țesuturile biologice (viteza sunetului, coeficientul de atenuare, rezistența undelor) de tipul de țesut și starea acestuia. Metodele cu ultrasunete fac posibilă vizualizarea structurilor interne ale corpului, precum și studierea mișcării obiectelor biologice în interiorul corpului. Caracteristica principală a diagnosticului cu ultrasunete este capacitatea de a obține informații despre țesuturile moi care diferă ușor în densitate sau elasticitate. Metoda de examinare cu ultrasunete este foarte sensibilă, poate fi utilizată pentru a detecta formațiuni care nu sunt detectate de raze X, nu necesită utilizarea de substanțe de contrast, este nedureroasă și nu are contraindicații.

În scopuri de diagnostic, se utilizează o frecvență de ultrasunete de 0,8 până la 15 MHz. Frecvențele joase sunt utilizate în studiul obiectelor aflate în adâncime sau într-un studiu efectuat prin țesutul osos, frecvențele înalte sunt folosite pentru a vizualiza obiecte aproape de suprafața corpului, pentru diagnosticare în oftalmologie și în studiul vaselor localizate superficial.

Cele mai utilizate în diagnosticarea cu ultrasunete sunt metodele de ecolocație bazate pe reflectarea sau împrăștierea semnalelor ultrasunete pulsate. În funcție de metoda de obținere și de natura prezentării informațiilor, aparatele pentru diagnosticarea cu ultrasunete sunt împărțite în 3 grupe: dispozitive unidimensionale cu indicație de tip A; instrumente unidimensionale cu indicație tip M; instrumente bidimensionale cu indicație de tip B.

În diagnosticarea cu ultrasunete folosind un dispozitiv de tip A, un emițător care emite impulsuri ultrasunete scurte (durata de ordinul a 10 -6 s) este aplicat zonei examinate a corpului printr-o substanță de contact. În pauzele dintre impulsuri, dispozitivul primește impulsuri reflectate din diferite neomogenități din țesuturi. După amplificare, aceste impulsuri sunt observate pe ecranul tubului catodic sub formă de abateri ale fasciculului de la linia orizontală. Se numește modelul complet al impulsurilor reflectate ecogramă unidimensională tip A. Figura 5.8 prezintă o ecogramă obținută din ecoscopia ochiului.

Orez. 5.8. Ecoscopia ochiului prin metoda A:

1 - semnal de ecou de la suprafața anterioară a corneei; 2, 3 - semnale de ecou de la suprafețele anterioare și posterioare ale cristalinului; 4 - semnal ecou de la retină și structurile polului posterior al globului ocular

Ecogramele țesuturilor de diferite tipuri diferă unele de altele prin numărul de impulsuri și amplitudinea lor. Analiza ecogramei de tip A oferă în multe cazuri informații suplimentare despre starea, profunzimea și întinderea zonei patologice.

Dispozitivele unidimensionale cu indicație de tip A sunt utilizate în neurologie, neurochirurgie, oncologie, obstetrică, oftalmologie și alte domenii ale medicinei.

În dispozitivele cu indicație de tip M, impulsurile reflectate după amplificare sunt alimentate la electrodul modulator al tubului catodic și sunt reprezentate ca liniuțe, a căror luminozitate este legată de amplitudinea impulsului, iar lățimea de durata acestuia. Dezvoltarea acestor liniuțe în timp oferă o imagine a structurilor reflectorizante individuale. Acest tip de indicație este utilizat pe scară largă în cardiografie. O cardiogramă cu ultrasunete poate fi înregistrată folosind un tub catodic cu memorie sau pe un reportofon de hârtie. Această metodă înregistrează mișcările elementelor inimii, ceea ce face posibilă determinarea stenozei valvei mitrale, a malformațiilor cardiace congenitale etc.

La utilizarea metodelor de înregistrare de tip A și M, traductorul se află într-o poziție fixă ​​pe corpul pacientului.

În cazul indicației de tip B, traductorul se deplasează (scanează) de-a lungul suprafeței corpului, iar pe ecranul tubului catodic este înregistrată o ecogramă bidimensională, reproducând secțiunea transversală a regiunii corpului studiată.

O variantă a metodei B este scanare multiplă,în care mişcarea mecanică a senzorului este înlocuită prin comutarea electrică secvenţială a unui număr de elemente situate pe aceeaşi linie. Multi-scanarea face posibilă observarea secțiunilor studiate aproape în timp real. O altă versiune a metodei B este scanarea sectorială, în care nu există nicio mișcare a ecosondei, dar se modifică unghiul de introducere a fasciculului de ultrasunete.

Aparatele cu ultrasunete cu indicație de tip B sunt utilizate în oncologie, obstetrică și ginecologie, urologie, otolaringologie, oftalmologie etc. În cardiologie se folosesc modificări ale aparatelor de tip B cu multiscanare și scanare sectorială.

Toate metodele de ecolocație ale diagnosticului cu ultrasunete permit într-un mod sau altul să înregistreze limitele regiunilor cu impedanțe diferite de unde în interiorul corpului.

O nouă metodă de diagnosticare cu ultrasunete - tomografia reconstructivă (sau computațională) - oferă o distribuție spațială a parametrilor de propagare a sunetului: coeficientul de atenuare (modificarea atenuării metodei) sau viteza sunetului (modificarea refractivă). În această metodă, secțiunea investigată a obiectului este sună în mod repetat în direcții diferite. Informațiile despre coordonatele de sunet și semnalele de răspuns sunt procesate pe un computer, drept urmare o tomogramă reconstruită este afișată pe afișaj.

Recent, a fost introdusă o metodă elastometrie pentru studiul tesuturilor hepatice atat in conditii normale cat si in diverse stadii de microza. Esența metodei este următoarea. Senzorul este instalat perpendicular pe suprafața corpului. Cu ajutorul unui vibrator încorporat în senzor, se creează o undă mecanică a sunetului de joasă frecvență (ν = 50 Hz, A = 1 mm), a cărei viteză de propagare peste țesuturile hepatice subiacente este estimată cu ajutorul ultrasunetelor cu o frecvență de ν = 3,5 MHz (de fapt, ecolocarea este efectuată). Folosind

modulul E (elasticitatea) al țesutului. Pentru pacient se efectuează o serie de măsurători (cel puțin 10) în spațiile intercostale în proiecția poziției ficatului. Analiza tuturor datelor are loc automat, dispozitivul oferă o evaluare cantitativă a elasticității (densității), care este prezentată atât sub formă numerică, cât și color.

Pentru a obține informații despre structurile în mișcare ale corpului, se folosesc metode și dispozitive, a căror activitate se bazează pe efectul Doppler. Astfel de dispozitive conțin de obicei două elemente piezoelectrice: un emițător de ultrasunete care funcționează în mod continuu și un receptor de semnale reflectate. Măsurând deplasarea Doppler a frecvenței unei unde ultrasonice reflectate de un obiect în mișcare (de exemplu, de pe peretele vasului), se determină viteza de mișcare a obiectului care reflectă (vezi formula 2.9). Cele mai avansate dispozitive de acest tip folosesc metoda puls-Doppler (coerentă) de localizare, care face posibilă izolarea unui semnal dintr-un anumit punct din spațiu.

Dispozitivele care utilizează efectul Doppler sunt utilizate pentru a diagnostica boli ale sistemului cardiovascular (definiție

mișcarea unor părți ale inimii și a pereților vaselor de sânge), în obstetrică (studiul bătăilor inimii fetale), pentru a studia fluxul sanguin etc.

Organele sunt examinate prin esofag, cu care se învecinează.

Comparația „transmisiilor” cu ultrasunete și cu raze X

În unele cazuri, transiluminarea cu ultrasunete are un avantaj față de raze X. Acest lucru se datorează faptului că razele X oferă o imagine clară a țesuturilor „dure” pe fundalul celor „moi”. Deci, de exemplu, oasele sunt clar vizibile pe fundalul țesuturilor moi. Pentru a obține o imagine cu raze X a țesuturilor moi pe fundalul altor țesuturi moi (de exemplu, un vas de sânge pe fundalul mușchilor), vasul trebuie umplut cu o substanță care absoarbe bine razele X (agent de contrast). Transiluminarea cu ultrasunete, datorită caracteristicilor deja indicate, oferă în acest caz o imagine fără utilizarea agenților de contrast.

La examinarea cu raze X, diferența de densitate este diferențiată până la 10%, cu ultrasunete - până la 1%.

5.6. Infrasunetele și sursele sale

infrasunete- oscilații elastice și unde cu frecvențe situate sub intervalul de frecvențe audibile de om. De obicei, 16-20 Hz este luată ca limită superioară a intervalului infrasonic. O astfel de definiție este condiționată, deoarece cu o intensitate suficientă, percepția auditivă are loc și la frecvențe de câțiva Hz, deși în acest caz caracterul tonal al senzației dispare și doar ciclurile individuale de oscilații devin distinse. Limita inferioară de frecvență a infrasunetelor este incertă; în prezent, domeniul său de studiu se extinde până la aproximativ 0,001 Hz.

Undele infrasonice se propagă în aer și medii acvatice, precum și în scoarța terestră (unde seismice). Principala caracteristică a infrasunetelor, datorită frecvenței sale scăzute, este absorbția scăzută. Când se propagă în mare adâncime și în atmosferă la nivelul solului, undele infrasonice cu o frecvență de 10-20 Hz se atenuează la o distanță de 1000 km cu cel mult câțiva decibeli. Se știe că sună

erupțiile vulcanice și exploziile atomice pot face în mod repetat înconjurul globului. Datorită lungimii de undă mari, există puțină împrăștiere a infrasunetelor. În mediile naturale, împrăștierea vizibilă este creată numai de obiecte foarte mari - dealuri, munți, clădiri înalte.

Sursele naturale de infrasunete sunt fenomenele meteorologice, seismice și vulcanice. Infrasunetele sunt generate de fluctuațiile presiunii turbulente atmosferice și oceanice, vânt, valurile mării (inclusiv valuri de maree), cascade, cutremure și alunecări de teren.

Sursele de infrasunete asociate activității umane sunt exploziile, împușcăturile, undele de șoc de la avioanele supersonice, impactul piloților, motoarelor cu reacție etc. Infrasunetele sunt conținute în zgomotul motoarelor și al echipamentelor de proces. Vibrațiile clădirilor generate de excitatoarele industriale și de uz casnic, de regulă, conțin componente infrasonice. Zgomotul din transport are o contribuție semnificativă la poluarea infrasonică a mediului. De exemplu, mașinile cu o viteză de 100 km/h creează infrasunete cu un nivel de intensitate de până la 100 dB. În compartimentul motor al navelor mari s-au înregistrat vibrații infrasonice, create de motoare în funcțiune, cu o frecvență de 7-13 Hz și un nivel de intensitate de 115 dB. La etajele superioare ale clădirilor înalte, în special în cazul vântului puternic, nivelul intensității infrasunetelor atinge

Infrasunetele este aproape imposibil de izolat - la frecvențe joase, toate materialele fonoabsorbante își pierd aproape complet eficacitatea.

5.7. Impactul infrasunetelor asupra oamenilor. Utilizarea infrasunetelor în medicină

De regulă, infrasunetele au un efect negativ asupra unei persoane: provoacă o stare de spirit depresivă, oboseală, dureri de cap, iritație. O persoană expusă la infrasunete de intensitate scăzută dezvoltă simptome de „rău de mare”, greață, amețeli. Există o durere de cap, oboseala crește, auzul slăbește. La o frecvență de 2-5 Hz

si un nivel de intensitate de 100-125 dB, reactia subiectiva se reduce la o senzatie de presiune in ureche, dificultate la inghitire, modularea fortata a vocii si dificultate in vorbire. Impactul infrasunetelor afectează negativ vederea: funcțiile vizuale se înrăutățesc, acuitatea vizuală scade, câmpul vizual se îngustează, capacitatea de acomodație slăbește și stabilitatea fixării obiectului observat de către ochi este perturbată.

Zgomotul la o frecvență de 2-15 Hz la un nivel de intensitate de 100 dB duce la o creștere a erorii de urmărire a indicatorilor săgeți. Există o tresărire convulsivă a globului ocular, o încălcare a funcției organelor de echilibru.

Piloții și cosmonauții expuși la infrasunete în timpul antrenamentului au fost mai lenți în rezolvarea chiar și a problemelor simple de aritmetică.

Există o presupunere că diverse anomalii ale stării oamenilor pe vreme rea, explicate de condițiile climatice, sunt de fapt rezultatul expunerii la undele infrasonice.

La intensitate medie (140-155 dB), pot apărea leșin și pierderea temporară a vederii. La intensități mari (aproximativ 180 dB), paralizia poate apărea cu un rezultat fatal.

Se presupune că impactul negativ al infrasunetelor se datorează faptului că frecvențele oscilațiilor naturale ale unor organe și părți ale corpului uman se află în regiunea infrasonică. Acest lucru provoacă fenomene de rezonanță nedorite. Indicăm câteva frecvențe ale oscilațiilor naturale pentru o persoană:

Corpul uman în poziția culcat - (3-4) Hz;

Piept - (5-8) Hz;

Cavitatea abdominală - (3-4) Hz;

Ochi - (12-27) Hz.

Efectul infrasunetelor asupra inimii este deosebit de dăunător. Cu o putere suficientă, apar oscilații forțate ale mușchiului inimii. La rezonanță (6-7 Hz), amplitudinea acestora crește, ceea ce poate duce la hemoragie.

Utilizarea infrasunetelor în medicină

În ultimii ani, infrasunetele au devenit utilizate pe scară largă în practica medicală. Deci, în oftalmologie, unde infrasunete

cu frecvenţe de până la 12 Hz sunt utilizate în tratamentul miopiei. În tratamentul bolilor pleoapelor, infrasunetele sunt utilizate pentru fonoforeză (Fig. 5.9), precum și pentru curățarea suprafețelor rănilor, pentru îmbunătățirea hemodinamicii și regenerarea pleoapelor, masaj (Fig. 5.10) etc.

Figura 5.9 prezintă utilizarea infrasunetelor pentru tratarea unei anomalii în dezvoltarea canalelor lacrimale la nou-născuți.

La una dintre etapele tratamentului se masează sacul lacrimal. În acest caz, generatorul de infrasunete creează o presiune în exces în sacul lacrimal, ceea ce contribuie la ruperea țesutului embrionar din canalul lacrimal.

Orez. 5.9. Schema fonoforezei infrasonice

Orez. 5.10. Masajul sacului lacrimal

5.8. Concepte și formule de bază. Mese

Tabelul 5.1. Coeficientul de absorbție și adâncimea de semiabsorbție la o frecvență de 1 MHz

Tabelul 5.2. Coeficient de reflexie la limitele diferitelor țesuturi

5.9. Sarcini

1. Reflexia undelor din neomogenități mici devine vizibilă atunci când dimensiunile lor depășesc lungimea de undă. Estimați dimensiunea minimă d a unei pietre la rinichi care poate fi detectată prin diagnosticare cu ultrasunete la o frecvență de ν = 5 MHz. Viteza undelor ultrasonice v= 1500 m/s.

Soluţie

Să aflăm lungimea de undă: λ \u003d v / ν \u003d 1500 / (5 * 10 6) \u003d 0,0003 m \u003d 0,3 mm. d > λ.

Răspuns: d > 0,3 mm.

2. În unele proceduri fizioterapeutice se utilizează frecvența ultrasunetelor ν = 800 kHz și intensitatea I = 1 W/cm2. Găsiți amplitudinea de vibrație a moleculelor de țesut moale.

Soluţie

Intensitatea undelor mecanice este determinată de formula (2.6)

Densitatea țesuturilor moi ρ « 1000 kg/m 3 .

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

viteza ultrasunetelor în țesuturile moi ν ≈ 1500 m/s.

Este necesar să convertiți intensitatea în SI: I \u003d 1 W / cm 2 \u003d 10 4 W / m 2.

Înlocuind valorile numerice în ultima formulă, găsim:

O deplasare atât de mică a moleculelor în timpul trecerii ultrasunetelor indică faptul că acțiunea sa se manifestă la nivel celular. Răspuns: A = 0,023 um.

3. Calitatea pieselor din oțel sunt verificate cu un detector de defecte cu ultrasunete. La ce adâncime h în piesă a fost detectată o fisură și care este grosimea d a piesei dacă s-au primit două semnale reflectate după emiterea unui semnal ultrasonic după 0,1 ms și 0,2 ms? Viteza de propagare a undei ultrasonice în oțel este egală cu v= 5200 m/s.

Soluţie

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

Un capitol din volumul I al manualului de diagnosticare cu ultrasunete, scris de angajații Departamentului de Diagnostică cu ultrasunete al Academiei Medicale Ruse de Învățământ Postuniversitar (CD 2001), editat de Mitkov V.V.

(articolul a fost gasit pe internet)

1. Proprietățile fizice ale ultrasunetelor
2. Reflecție și împrăștiere
3. Senzori și unde ultrasonice
4. Dispozitive de scanare lentă
5. Instrumente de scanare rapidă
6. Dispozitive Doppler
7. Artefacte
8. Controlul calității echipamentelor cu ultrasunete
9. Efectul biologic al ultrasunetelor și siguranță
10. Noi tendințe în diagnosticul cu ultrasunete
11. Literatură
12. Întrebări de testare

PROPRIETĂȚI FIZICE ALE ULTRASUNETELOR

Utilizarea ultrasunetelor în diagnosticul medical este asociată cu posibilitatea de a obține imagini ale organelor și structurilor interne. Baza metodei este interacțiunea ultrasunetelor cu țesuturile corpului uman. Achiziția imaginii în sine poate fi împărțită în două părți. Prima este radiația unor impulsuri ultrasonice scurte direcționate în țesuturile studiate, iar a doua este formarea unei imagini pe baza semnalelor reflectate. Înțelegerea principiului de funcționare a unei unități de diagnosticare cu ultrasunete, cunoașterea elementelor de bază ale fizicii ultrasunetelor și a interacțiunii sale cu țesuturile corpului uman vor ajuta la evitarea utilizării mecanice, necugetate a dispozitivului și, prin urmare, la abordarea procesului de diagnosticare mai competent. .

Sunetul este o undă longitudinală mecanică în care vibrațiile particulelor sunt în același plan cu direcția de propagare a energiei (Fig. 1).

Orez. 1. Reprezentarea vizuală și grafică a modificărilor de presiune și densitate într-o undă ultrasonică.

Valul transportă energie, dar nu materie. Spre deosebire de undele electromagnetice (lumină, unde radio etc.), sunetul necesită un mediu pentru a se propaga - nu se poate propaga în vid. Ca toate undele, sunetul poate fi descris printr-o serie de parametri. Acestea sunt frecvența, lungimea de undă, viteza de propagare în mediu, perioada, amplitudinea și intensitatea. Frecvența, perioada, amplitudinea și intensitatea sunt determinate de sursa sonoră, viteza de propagare este determinată de mediu, iar lungimea de undă este determinată atât de sursa de sunet, cât și de mediu. Frecvența este numărul de oscilații complete (cicluri) într-o perioadă de 1 secundă (Fig. 2).

Orez. 2. Frecvența undelor ultrasonice 2 cicluri în 1 s = 2 Hz

Unitățile de frecvență sunt hertzi (Hz) și megaherți (MHz). Un hertz este o oscilatie pe secunda. Un megahertz = 1000000 herți. Ce face sunetul „ultra”? Aceasta este frecvența. Limita superioară a sunetului audibil - 20.000 Hz (20 kiloherți (kHz)) - este limita inferioară a intervalului de ultrasunete. Localizatoarele cu ultrasunete ale liliecilor funcționează în intervalul 25÷500 kHz. În dispozitivele moderne cu ultrasunete, ultrasunetele cu o frecvență de 2 MHz și mai mare sunt folosite pentru a obține o imagine. Perioada este timpul necesar pentru a obține un ciclu complet de oscilație (Fig. 3).

Orez. 3. Perioada undei ultrasonice.

Unitățile perioadei sunt secunde (s) și microsecunde (µs). O microsecundă este o milioneme dintr-o secundă. Perioada (µs) = 1/frecvență (MHz). Lungimea de undă este lungimea pe care o ocupă o oscilație în spațiu (Fig. 4).

Orez. 4. Lungimea de undă.

Unitățile de măsură sunt metrul (m) și milimetrul (mm). Viteza de propagare a ultrasunetelor este viteza cu care unda se deplasează prin mediu. Unitățile de măsură ale vitezei de propagare a ultrasunetelor sunt metru pe secundă (m/s) și milimetru pe microsecundă (mm/µs). Viteza de propagare a ultrasunetelor este determinată de densitatea și elasticitatea mediului. Viteza de propagare a ultrasunetelor crește odată cu creșterea elasticității și scăderea densității mediului. Tabelul 2.1 arată viteza de propagare a ultrasunetelor în unele țesuturi ale corpului uman.

Viteza medie de propagare a ultrasunetelor în țesuturile corpului uman este de 1540 m/s - majoritatea dispozitivelor de diagnosticare cu ultrasunete sunt programate pentru această viteză. Viteza de propagare a ultrasunetelor (C), frecvența (f) și lungimea de undă (λ) sunt legate prin următoarea ecuație: C = f × λ. Deoarece în cazul nostru viteza este considerată constantă (1540 m/s), celelalte două variabile f și λ sunt interconectate printr-o relație invers proporțională. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică și obiectele pe care le putem vedea sunt mai mici. Un alt parametru important al mediului este impedanța acustică (Z). Rezistența acustică este produsul dintre valoarea densității mediului și viteza de propagare a ultrasunetelor. Rezistența (Z) = densitatea (p) × viteza de propagare (C).

Pentru a obține o imagine în diagnosticul cu ultrasunete nu se utilizează ultrasunetele, care sunt emise continuu de traductor (undă constantă), ci ultrasunetele emise sub formă de impulsuri scurte (pulsate). Este generată atunci când pe elementul piezoelectric sunt aplicate impulsuri electrice scurte. Parametrii suplimentari sunt utilizați pentru a caracteriza ultrasunetele pulsate. Rata de repetiție a impulsurilor este numărul de impulsuri emise într-o unitate de timp (secundă). Frecvența de repetare a pulsului este măsurată în herți (Hz) și kiloherți (kHz). Durata impulsului este intervalul de timp al unui impuls (Fig. 5).

Orez. 5. Durata pulsului ultrasonic.

Se măsoară în secunde (s) și microsecunde (µs). Factorul de ocupare este fracțiunea de timp în care are loc emisia (sub formă de impulsuri) de ultrasunete. Lungimea pulsului spațial (STP) este lungimea spațiului în care este plasat un impuls ultrasonic (Fig. 6).

Orez. 6. Extensia spațială a pulsului.

Pentru țesuturile moi, lungimea spațială a pulsului (mm) este egală cu produsul dintre 1,54 (viteza de propagare a ultrasunetelor în mm/µs) și numărul de oscilații (cicluri) pe impuls (n) împărțit la frecvența în MHz. Sau PPI = 1,54 × n/f. Se poate obține o scădere a lungimii spațiale a pulsului (și acest lucru este foarte important pentru îmbunătățirea rezoluției axiale) prin reducerea numărului de oscilații în puls sau creșterea frecvenței. Amplitudinea unei unde ultrasonice este abaterea maximă a variabilei fizice observate de la valoarea medie (Fig. 7).

Orez. 7. Amplitudinea undei ultrasonice

Intensitatea ultrasunetelor este raportul dintre puterea undei și zona pe care este distribuit fluxul ultrasonic. Se măsoară în wați pe centimetru pătrat (W/cm2). Cu o putere de radiație egală, cu cât aria fluxului este mai mică, cu atât intensitatea este mai mare. Intensitatea este, de asemenea, proporțională cu pătratul amplitudinii. Astfel, dacă amplitudinea se dublează, atunci intensitatea se dublează. Intensitatea este neuniformă atât pe zona fluxului, cât și, în cazul ultrasunetelor pulsate, în timp.

La trecerea prin orice mediu, va exista o scădere a amplitudinii și intensității semnalului ultrasonic, care se numește atenuare. Atenuarea unui semnal ultrasonic este cauzată de absorbție, reflexie și împrăștiere. Unitatea de atenuare este decibelul (dB). Coeficientul de atenuare este atenuarea unui semnal ultrasonic pe unitatea de lungime a traseului acestui semnal (dB/cm). Factorul de amortizare crește odată cu creșterea frecvenței. Coeficienții medii de atenuare în țesuturile moi și scăderea intensității semnalului ecou în funcție de frecvență sunt prezentate în Tabelul 2.2.

REFLECȚIE ȘI RĂSPĂRIRE

Când ultrasunetele trec prin țesuturi la limita mediilor cu rezistență acustică diferită și viteza ultrasunetelor, apar fenomene de reflexie, refracție, împrăștiere și absorbție. În funcție de unghi, se vorbește de incidența perpendiculară și oblică (la un unghi) a fasciculului ultrasonic. Cu o incidență perpendiculară a unui fascicul ultrasonic, acesta poate fi reflectat complet sau parțial reflectat, parțial trecut prin limita a două medii; în acest caz, direcția ultrasunetelor transferate de la un mediu la altul nu se modifică (Fig. 8).

Orez. 8. Incidența perpendiculară a fasciculului ultrasonic.

Intensitatea ultrasunetelor reflectate și a ultrasunetelor care a trecut prin limita mediilor depind de intensitatea inițială și de diferența de impedanțe acustice ale mediilor. Raportul dintre intensitatea undei reflectate și intensitatea undei incidente se numește coeficient de reflexie. Raportul dintre intensitatea unei unde ultrasonice care a trecut prin limita mediului și intensitatea undei incidente se numește coeficient de conducere a ultrasunetelor. Astfel, dacă țesuturile au densități diferite, dar aceeași impedanță acustică, nu va exista nicio reflectare a ultrasunetelor. Pe de altă parte, cu o diferență mare de impedanțe acustice, intensitatea reflexiei tinde spre 100%. Un exemplu în acest sens este interfața aer/țesut moale. Reflexia aproape completă a ultrasunetelor are loc la limita acestor medii. Pentru a îmbunătăți conducerea ultrasunetelor în țesuturile corpului uman, se folosesc medii de conectare (gel). Cu o incidență oblică a fasciculului ultrasonic, se determină unghiul de incidență, unghiul de reflexie și unghiul de refracție (Fig. 9).

Orez. 9. Reflecție, refracție.

Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie. Refracția este o schimbare a direcției de propagare a unui fascicul ultrasonic atunci când traversează limita mediilor cu viteze diferite ale ultrasunetelor. Sinusul unghiului de refracție este egal cu produsul sinusului unghiului de incidență la valoarea obținută din împărțirea vitezei de propagare a ultrasunetelor în al doilea mediu la viteza în primul. Sinusul unghiului de refracție și, în consecință, unghiul de refracție în sine, cu cât este mai mare, cu atât diferența dintre vitezele de propagare a ultrasunetelor în două medii este mai mare. Refracția nu se observă dacă vitezele de propagare a ultrasunetelor în două medii sunt egale sau unghiul de incidență este 0. Apropo de reflexie, trebuie avut în vedere că în cazul în care lungimea de undă este mult mai mare decât dimensiunile neregulilor. a suprafeței reflectorizante are loc reflexia speculară (descrisă mai sus). Dacă lungimea de undă este comparabilă cu neregularitățile suprafeței reflectorizante sau există o neomogenitate a mediului în sine, are loc împrăștierea ultrasunetelor.

Orez. 10. Backscatter.

Cu retrodifuzare (Fig. 10), ultrasunetele sunt reflectate în direcția din care a venit fasciculul original. Intensitatea semnalelor împrăștiate crește cu o creștere a neomogenității mediului și o creștere a frecvenței (adică, o scădere a lungimii de undă) a ultrasunetelor. Imprăștierea depinde relativ puțin de direcția fasciculului incident și, prin urmare, permite o mai bună vizualizare a suprafețelor reflectorizante, ca să nu mai vorbim de parenchimul de organ. Pentru ca semnalul reflectat să fie poziționat corect pe ecran, este necesar să se cunoască nu numai direcția semnalului emis, ci și distanța până la reflector. Aceasta distanta este egala cu 1/2 din produsul dintre viteza ultrasunetelor in mediu si timpul dintre emisia si receptia semnalului reflectat (Fig. 11). Produsul vitezei și timpului este împărțit la jumătate, deoarece ultrasunetele parcurg o cale dublă (de la emițător la reflector și înapoi) și ne interesează doar distanța de la emițător la reflector.

Orez. 11. Masurarea distantei cu ultrasunete.

SENZORI ȘI UNDE ULTRASONIC

Pentru obținerea ultrasunetelor se folosesc traductoare speciale, care transformă energia electrică în energie cu ultrasunete. Producerea ultrasunetelor se bazează pe efectul piezoelectric invers. Esența efectului este că, dacă se aplică o tensiune electrică anumitor materiale (piezoelectrice), atunci forma acestora se va schimba (Fig. 12).

Orez. 12. Efect piezoelectric invers.

În acest scop, materialele piezoelectrice artificiale, cum ar fi zirconatul de plumb sau titanatul de plumb, sunt cel mai des folosite în dispozitivele cu ultrasunete. În absența curentului electric, elementul piezoelectric revine la forma sa inițială, iar când polaritatea se schimbă, forma se va schimba din nou, dar în sens opus. Dacă elementului piezoelectric este aplicat un curent alternativ rapid, atunci elementul va începe să se contracte și să se extindă (adică să oscileze) la o frecvență înaltă, generând un câmp ultrasonic. Frecvența de funcționare a traductorului (frecvența de rezonanță) este determinată de raportul dintre viteza de propagare a ultrasunetelor în elementul piezoelectric și de două ori grosimea acestui element piezoelectric. Detectarea semnalelor reflectate se bazează pe efectul piezoelectric direct (Fig. 13).

Orez. 13. Efect piezoelectric direct.

Semnalele de întoarcere provoacă oscilații ale elementului piezoelectric și apariția unui curent electric alternativ pe fețele acestuia. În acest caz, elementul piezo funcționează ca un senzor ultrasonic. De obicei, aceleași elemente sunt utilizate în dispozitivele cu ultrasunete pentru emiterea și recepția ultrasunetelor. Prin urmare, termenii „transductor”, „transductor”, „senzor” sunt sinonimi. Senzorii cu ultrasunete sunt dispozitive complexe și, în funcție de metoda de scanare a imaginii, sunt împărțiți în senzori pentru dispozitive de scanare lentă (un singur element) și scanare rapidă (scanare în timp real) - mecanici și electronici. Senzorii mecanici pot fi cu un singur element și multi-element (anulari). Măturarea fasciculului ultrasonic poate fi realizată prin balansarea elementului, rotirea elementului sau balansarea oglinzii acustice (Fig. 14).

Orez. 14. Senzori de sector mecanic.

Imaginea de pe ecran are în acest caz forma unui sector (senzori de sector) sau a unui cerc (senzori circulari). Senzorii electronici sunt multi-element și, în funcție de forma imaginii rezultate, pot fi sectoriali, liniari, convexe (convexe) (Fig. 15).

Orez. 15. Senzori electronici multi-element.

Măturarea imaginii în senzorul de sector se realizează prin balansarea fasciculului ultrasonic cu focalizarea sa simultană (Fig. 16).

Orez. 16. Senzor electronic sectorial cu antenă fază.

La senzorii liniari și convexi, măturarea imaginii este realizată prin excitarea unui grup de elemente cu mișcarea lor pas cu pas de-a lungul antenei cu focalizare simultană (Fig. 17).

Orez. 17. Senzor liniar electronic.

Senzorii cu ultrasunete diferă în detalii unul de celălalt, dar diagrama lor schematică este prezentată în Figura 18.

Orez. 18. Dispozitiv cu senzor cu ultrasunete.

Un traductor cu un singur element sub formă de disc în modul de radiație continuă formează un câmp ultrasonic, a cărui formă se modifică în funcție de distanță (Fig. 19).

Orez. 19. Două câmpuri ale unui traductor nefocalizat.

Uneori pot fi observate „fluxuri” ultrasonice suplimentare, numite lobi laterali. Distanța de la disc până la lungimea câmpului apropiat (zona) se numește zonă apropiată. Zona de dincolo de granița apropiatului se numește departe. Lungimea zonei apropiate este egală cu raportul dintre pătratul diametrului traductorului și 4 lungimi de undă. În zona îndepărtată, diametrul câmpului ultrasonic crește. Locul celei mai mari îngustări a fasciculului ultrasonic se numește zonă de focalizare, iar distanța dintre traductor și zona de focalizare se numește distanță focală. Există diferite moduri de a focaliza un fascicul ultrasonic. Cea mai simplă metodă de focalizare este o lentilă acustică (Fig. 20).

Orez. 20. Focalizarea cu o lentilă acustică.

Cu acesta, puteți focaliza fasciculul ultrasonic la o anumită adâncime, care depinde de curbura lentilei. Această metodă de focalizare nu vă permite să schimbați rapid distanța focală, ceea ce este incomod în munca practică. Un alt mod de focalizare este folosirea unei oglinzi acustice (Fig. 21).

Orez. 21. Focalizarea cu o oglindă acustică.

În acest caz, prin modificarea distanței dintre oglindă și traductor, vom modifica distanța focală. În dispozitivele moderne cu senzori electronici multi-element, focalizarea se bazează pe focalizarea electronică (Fig. 17). Cu un sistem electronic de focalizare, putem modifica distanța focală de pe panoul de bord, totuși, pentru fiecare imagine vom avea o singură zonă de focalizare. Deoarece impulsuri ultrasunete foarte scurte emise de 1000 de ori pe secundă (frecvența de repetare a impulsului 1 kHz) sunt folosite pentru a obține imaginea, dispozitivul funcționează ca un receptor de ecou în 99,9% din timp. Având o astfel de marjă de timp, este posibil să programați dispozitivul în așa fel încât zona de focalizare apropiată (Fig. 22) să fie selectată în timpul primei achiziții de imagine și să fie salvate informațiile primite din această zonă.

Orez. 22. Metoda focalizării dinamice.

În continuare - selectarea următoarei zone de focalizare, obținerea de informații, salvarea. Și așa mai departe. Rezultatul este o imagine compozită care este focalizată pe toată adâncimea. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că această metodă de focalizare necesită o perioadă semnificativă de timp pentru a obține o imagine (cadru), ceea ce determină o scădere a ratei cadrelor și pâlpâirea imaginii. De ce se depun atât de mult efort în focalizarea fasciculului ultrasonic? Cert este că, cu cât fasciculul este mai îngust, cu atât rezoluția laterală (laterală, în azimut) este mai bună. Rezoluția laterală este distanța minimă dintre două obiecte situate perpendicular pe direcția de propagare a energiei, care sunt prezentate pe ecranul monitorului ca structuri separate (Fig. 23).

Orez. 23. Metoda focalizării dinamice.

Rezoluția laterală este egală cu diametrul fasciculului ultrasonic. Rezoluția axială este distanța minimă dintre două obiecte situate de-a lungul direcției de propagare a energiei, care sunt prezentate pe ecranul monitorului ca structuri separate (Fig. 24).

Orez. 24. Rezoluție axială: cu cât pulsul ultrasonic este mai scurt, cu atât este mai bun.

Rezoluția axială depinde de extinderea spațială a pulsului ultrasonic - cu cât pulsul este mai scurt, cu atât rezoluția este mai bună. Pentru a scurta pulsul, se utilizează atât amortizarea mecanică, cât și electronică a vibrațiilor ultrasonice. De regulă, rezoluția axială este mai bună decât rezoluția laterală.

DISPOZITIVE DE SCANARE LENTĂ

În prezent, dispozitivele de scanare lentă (manuală, complexă) prezintă doar interes istoric. Din punct de vedere moral, au murit odată cu apariția dispozitivelor de scanare rapidă (dispozitive care funcționează în timp real). Cu toate acestea, componentele lor principale sunt păstrate și în dispozitivele moderne (în mod firesc, folosind o bază de element modern). Inima este generatorul principal de impulsuri (în dispozitivele moderne - un procesor puternic), care controlează toate sistemele dispozitivului cu ultrasunete (Fig. 25).

Orez. 25. Schema bloc a unui scaner portabil.

Generatorul de impulsuri trimite impulsuri electrice traductorului, care generează un impuls ultrasonic și îl trimite către țesut, primește semnalele reflectate, transformându-le în vibrații electrice. Aceste oscilații electrice sunt apoi trimise la un amplificator de radiofrecvență, care este de obicei conectat la un controler de amplificare timp-amplitudine (TAGU) - un regulator de compensare a absorbției tisulare în profunzime. Datorită faptului că atenuarea semnalului ultrasonic în țesuturi are loc după o lege exponențială, luminozitatea obiectelor de pe ecran scade progresiv odată cu creșterea adâncimii (Fig. 26).

Orez. 26. Compensarea absorbției tisulare.

Folosind un amplificator liniar, de ex. un amplificator care amplifica proporțional toate semnalele ar supraamplifica semnalele din imediata vecinătate a senzorului atunci când încearcă să îmbunătățească vizualizarea obiectelor adânci. Utilizarea amplificatoarelor logaritmice rezolvă această problemă. Semnalul ultrasonic este amplificat proporțional cu timpul de întârziere al revenirii sale - cu cât a revenit mai târziu, cu atât amplificarea este mai puternică. Astfel, utilizarea TVG vă permite să obțineți pe ecran o imagine de aceeași luminozitate în profunzime. Semnalul electric de radiofrecvență amplificat în acest mod este apoi alimentat la un demodulator, unde este rectificat și filtrat, iar din nou amplificat pe un amplificator video este alimentat pe ecranul monitorului.

Pentru a salva imaginea pe ecranul monitorului, este necesară memoria video. Poate fi împărțit în analog și digital. Primele monitoare au permis ca informațiile să fie prezentate în formă analogică bistabilă. Un dispozitiv numit discriminator a făcut posibilă schimbarea pragului de discriminare - semnalele a căror intensitate era sub pragul de discriminare nu au trecut prin el și secțiunile corespunzătoare ale ecranului au rămas întunecate. Semnalele a căror intensitate a depășit pragul de discriminare au fost prezentate pe ecran ca puncte albe. În acest caz, luminozitatea punctelor nu depindea de valoarea absolută a intensității semnalului reflectat - toate punctele albe aveau aceeași luminozitate. Cu această metodă de prezentare a imaginii - a fost numită "bistabilă" - limitele organelor și structurilor cu reflectivitate ridicată (de exemplu, sinusul renal) erau clar vizibile, cu toate acestea, nu a fost posibil să se evalueze structura organelor parenchimatoase. Apariția în anii 70 a dispozitivelor care făceau posibilă transmiterea nuanțelor de gri pe ecranul monitorului a marcat începutul erei dispozitivelor în tonuri de gri. Aceste dispozitive au făcut posibilă obținerea de informații de neatins folosind dispozitive cu o imagine bistabilă. Dezvoltarea tehnologiei informatice și a microelectronicăi au făcut în curând posibilă trecerea de la imaginile analogice la cele digitale. Imaginile digitale din dispozitivele cu ultrasunete sunt formate pe matrici mari (de obicei 512 × 512 pixeli) cu o scară de gri de 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 biți). La randarea la o adâncime de 20 cm pe o matrice de 512 × 512 pixeli, un pixel va corespunde unei dimensiuni liniare de 0,4 mm. La instrumentele moderne există tendința de a crește dimensiunea afișajelor fără pierderea calității imaginii, iar la instrumentele de gamă medie, ecranele de 12 inchi (diagonala de 30 cm) devin obișnuite.

Tubul cu raze catodice al unui dispozitiv cu ultrasunete (afișaj, monitor) folosește un fascicul de electroni puternic focalizat pentru a produce un punct luminos pe un ecran acoperit cu un fosfor special. Cu ajutorul plăcilor de deviere, acest loc poate fi mutat în jurul ecranului.

La Un fel mătura (Amplitudine) pe o axă este trasată distanța de la senzor, pe cealaltă - intensitatea semnalului reflectat (Fig. 27).

Orez. 27. Măturarea semnalului de tip A.

În instrumentele moderne, măturarea de tip A nu este practic utilizată.

de tip B scanare (Luminozitate - luminozitate) vă permite să obțineți informații de-a lungul liniei de scanare despre intensitatea semnalelor reflectate sub forma unei diferențe de luminozitate a punctelor individuale care alcătuiesc această linie.

Exemplu de ecran: matura la stânga B, pe dreapta - Mși cardiogramă.

de tip M (uneori TM) sweep (Mișcare - mișcare) vă permite să înregistrați mișcarea (mișcarea) structurilor reflectorizante în timp. În acest caz, deplasările verticale ale structurilor reflectorizante sunt înregistrate sub formă de puncte de luminozitate diferită, iar pe orizontală - deplasarea poziției acestor puncte în timp (Fig. 28).

Orez. 28. Mătura de tip M.

Pentru a obține o imagine tomografică bidimensională, este necesar într-un fel sau altul să se deplaseze linia de scanare de-a lungul planului de scanare. În dispozitivele de scanare lentă, acest lucru a fost realizat prin deplasarea manuală a senzorului de-a lungul suprafeței corpului pacientului.

DISPOZITIVE DE SCANARE RAPIDĂ

Scanerele rapide sau, așa cum sunt numite mai frecvent, scanerele în timp real, au înlocuit acum complet scanerele lente sau manuale. Acest lucru se datorează unui număr de avantaje pe care aceste dispozitive le au: capacitatea de a evalua mișcarea organelor și structurilor în timp real (adică aproape în același moment în timp); o scădere bruscă a timpului alocat cercetării; capacitatea de a efectua cercetări prin ferestre acustice mici.

Dacă dispozitivele de scanare lentă pot fi comparate cu o cameră (obținând imagini statice), atunci dispozitivele în timp real pot fi comparate cu cinematograful, unde imaginile statice (cadrele) se înlocuiesc cu o frecvență mare, creând impresia de mișcare.

În dispozitivele de scanare rapidă, așa cum s-a menționat mai sus, sunt utilizați senzori mecanici și electronici de sector, senzori electronici liniari, senzori electronici convexi (convexi) și senzori radiali mecanici.

Cu ceva timp în urmă, pe o serie de dispozitive au apărut senzori trapezoidali, al căror câmp vizual avea o formă trapezoidală, cu toate acestea, nu prezentau avantaje față de senzorii convexi, dar ei înșiși aveau o serie de dezavantaje.

În prezent, cel mai bun senzor pentru examinarea organelor cavității abdominale, spațiului retroperitoneal și pelvisului mic este cel convex. Are o suprafață de contact relativ mică și un câmp vizual foarte mare în zonele mijlocii și îndepărtate, ceea ce simplifică și accelerează studiul.

Când scanați cu un fascicul ultrasonic, rezultatul fiecărei treceri complete a fasciculului se numește cadru. Cadrul este format dintr-un număr mare de linii verticale (Fig. 29).

Orez. 29. Formarea imaginii prin linii separate.

Fiecare linie este cel puțin un impuls ultrasonic. Rata de repetiție a pulsului pentru obținerea unei imagini în tonuri de gri în instrumentele moderne este de 1 kHz (1000 de impulsuri pe secundă).

Există o relație între rata de repetiție a pulsului (PRF), numărul de linii care formează un cadru și numărul de cadre pe unitatea de timp: PRF = numărul de linii × rata de cadre.

Pe ecranul monitorului, calitatea imaginii rezultate va fi determinată, în special, de densitatea liniei. Pentru un senzor liniar, densitatea liniei (linii/cm) este raportul dintre numărul de linii care formează un cadru și lățimea părții monitorului pe care este formată imaginea.

Pentru un senzor de tip sector, densitatea liniei (linii/grad) este raportul dintre numărul de linii care formează un cadru și unghiul sectorului.

Cu cât este mai mare rata de cadre setată în dispozitiv, cu atât este mai mic numărul de linii care formează un cadru (la o anumită rată de repetare a pulsului), cu atât densitatea liniilor de pe ecranul monitorului este mai mică și calitatea imaginii rezultate este mai scăzută. Dar la un frame rate ridicat, avem o rezoluție temporală bună, ceea ce este foarte important în studiile ecocardiografice.

DISPOZITIVE DOPPLEROGRAFIE

Metoda de cercetare cu ultrasunete permite nu numai obținerea de informații despre starea structurală a organelor și țesuturilor, ci și caracterizarea fluxurilor din vase. Această abilitate se bazează pe efectul Doppler - o schimbare a frecvenței sunetului primit atunci când se mișcă în raport cu mediul sursei sau receptorului sunetului sau al corpului care împrăștie sunetul. Se observă datorită faptului că viteza de propagare a ultrasunetelor în orice mediu omogen este constantă. Prin urmare, dacă sursa de sunet se mișcă cu o viteză constantă, undele sonore emise în direcția de mișcare par a fi comprimate, crescând frecvența sunetului. Undele radiau în sens opus, parcă întinse, determinând o scădere a frecvenței sunetului (Fig. 30).

Orez. 30. Efectul Doppler.

Prin compararea frecvenței ultrasunetelor inițiale cu cea modificată, este posibil să se determine deplasarea Doller și să se calculeze viteza. Nu contează dacă sunetul este emis de un obiect în mișcare sau dacă obiectul reflectă undele sonore. În al doilea caz, sursa de ultrasunete poate fi staționară (senzorul cu ultrasunete), iar eritrocitele în mișcare pot acționa ca un reflector al undelor ultrasonice. Deplasarea Doppler poate fi fie pozitivă (dacă reflectorul se deplasează către sursa de sunet) fie negativă (dacă reflectorul se îndepărtează de sursa de sunet). În cazul în care direcția de incidență a fasciculului ultrasonic nu este paralelă cu direcția de mișcare a reflectorului, este necesar să se corecteze deplasarea Doppler cu cosinusul unghiului q dintre fasciculul incident și direcția de mișcare a reflector (Fig. 31).

Orez. 31. Unghiul dintre fasciculul incident și direcția fluxului sanguin.

Pentru a obține informații Doppler, se folosesc două tipuri de dispozitive - cu undă constantă și în impulsuri. Într-un instrument Doppler cu undă continuă, traductorul este format din două traductoare: unul dintre ele emite în mod constant ultrasunete, celălalt primește constant semnale reflectate. Receptorul determină deplasarea Doppler, care este de obicei -1/1000 din frecvența sursei de ultrasunete (gama sonoră) și transmite semnalul către difuzoare și, în paralel, către monitor pentru evaluarea calitativă și cantitativă a formei de undă. Dispozitivele cu undă constantă detectează fluxul de sânge pe aproape întregul traseu al fasciculului de ultrasunete sau, cu alte cuvinte, au un volum mare de control. Acest lucru poate determina obținerea de informații inadecvate atunci când mai multe vase intră în volumul de control. Cu toate acestea, un volum mare de control este util în calcularea căderii de presiune în stenoza valvulară.

Pentru a evalua fluxul sanguin în orice zonă specifică, este necesar să plasați un volum de control în zona studiată (de exemplu, în interiorul unui anumit vas) sub control vizual pe ecranul monitorului. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unui dispozitiv cu impulsuri. Există o limită superioară a deplasării Doppler care poate fi detectată de instrumente cu pulsații (uneori numită limită Nyquist). Este aproximativ 1/2 din rata de repetare a pulsului. Când este depășit, spectrul Doppler este distorsionat (aliasing). Cu cât este mai mare frecvența de repetare a pulsului, cu atât deplasarea Doppler poate fi determinată fără distorsiuni, dar cu atât sensibilitatea instrumentului la fluxurile cu viteză mică este mai mică.

Datorită faptului că impulsurile ultrasonice direcționate în țesuturi conțin un număr mare de frecvențe în plus față de cea principală și, de asemenea, datorită faptului că vitezele secțiunilor individuale ale fluxului nu sunt aceleași, pulsul reflectat constă dintr-un mare număr de frecvențe diferite (Fig. 32).

Orez. 32. Graficul spectrului unui impuls ultrasonic.

Folosind transformata Fourier rapidă, compoziția de frecvență a pulsului poate fi reprezentată ca un spectru, care poate fi afișat pe ecranul monitorului ca o curbă, unde frecvențele de deplasare Doppler sunt reprezentate orizontal, iar amplitudinea fiecărei componente este reprezentată vertical. Este posibil să se determine un număr mare de parametri de viteză ai fluxului sanguin din spectrul Doppler (viteza maximă, viteza la sfârșitul diastolei, viteza medie etc.), cu toate acestea, acești indicatori sunt dependenți de unghi și acuratețea lor depinde foarte mult de acuratețea corecției unghiului. Și dacă în vasele mari netortuoase corecția unghiului nu provoacă probleme, atunci în vasele mici sinuoase (vasele tumorale) este destul de dificil să se determine direcția fluxului. Pentru a rezolva această problemă, au fost propuși o serie de indici aproape independenți de carbon, dintre care cei mai comuni sunt indicele de rezistență și indicele de pulsație. Indicele de rezistență este raportul dintre diferența dintre vitezele maxime și minime și debitul maxim (Fig. 33). Indicele de pulsație este raportul dintre diferența dintre vitezele maxime și minime și viteza medie a curgerii.

Orez. 33. Calculul indicelui de rezistență și al indicelui de pulsator.

Obținerea unui spectru Doppler dintr-un volum de control vă permite să evaluați fluxul sanguin într-o zonă foarte mică. Imaginile în flux color (Color Doppler) furnizează informații în timp real asupra fluxului 2D, în plus față de imaginile convenționale în scala de gri 2D. Imagistica Doppler color extinde posibilitățile principiului pulsat al achiziției de imagini. Semnalele reflectate de structurile imobile sunt recunoscute și prezentate în tonuri de gri. Dacă semnalul reflectat are o frecvență diferită de cea emisă, atunci aceasta înseamnă că a fost reflectat de un obiect în mișcare. În acest caz, se determină deplasarea Doppler, semnul acesteia și valoarea vitezei medii. Acești parametri sunt utilizați pentru a determina culoarea, saturația și luminozitatea acesteia. În mod obișnuit, direcția fluxului către senzor este codificată în roșu, iar în depărtare de senzor în albastru. Luminozitatea culorii este determinată de debitul.

În ultimii ani a apărut o variantă de cartografiere Doppler color, numită „power Doppler” (Power Doppler). Cu Doppler de putere, nu valoarea deplasării Doppler în semnalul reflectat este determinată, ci energia acestuia. Această abordare face posibilă creșterea sensibilității metodei la viteze mici și să o facă aproape independentă de unghi, deși cu prețul pierderii capacității de a determina valoarea absolută a vitezei și direcției fluxului.

ARTEFACTE

Un artefact în diagnosticarea cu ultrasunete este apariția unor structuri inexistente pe imagine, absența structurilor existente, locația greșită a structurilor, luminozitatea greșită a structurilor, contururile greșite ale structurilor, dimensiunile greșite ale structurilor. Reverberația, unul dintre cele mai comune artefacte, apare atunci când un impuls ultrasonic lovește între două sau mai multe suprafețe reflectorizante. În acest caz, o parte din energia pulsului ultrasonic este reflectată în mod repetat de pe aceste suprafețe, de fiecare dată revenind parțial la senzor la intervale regulate (Fig. 34).

Orez. 34. Reverb.

Rezultatul va fi apariția pe ecranul monitorului a suprafețelor reflectorizante inexistente, care vor fi situate în spatele celui de-al doilea reflector la o distanță egală cu distanța dintre primul și al doilea reflector. Uneori este posibil să se reducă reverberațiile prin schimbarea poziției senzorului. O variantă a reverberei este un artefact numit „coada cometă”. Se observă în cazul în care ultrasunetele provoacă oscilații naturale ale obiectului. Acest artefact este adesea observat în spatele unor mici bule de gaz sau a unor mici obiecte metalice. Datorită faptului că nu întotdeauna întregul semnal reflectat revine la senzor (Fig. 35), apare un artefact al suprafeței reflectorizante efective, care este mai mic decât suprafața reflectantă reală.

Orez. 35. Suprafata reflectorizanta eficienta.

Din cauza acestui artefact, dimensiunile calculilor determinate cu ajutorul ultrasunetelor sunt de obicei puțin mai mici decât cele adevărate. Refracția poate determina o poziție incorectă a obiectului în imaginea rezultată (Fig. 36).

Orez. 36. Suprafata reflectorizanta eficienta.

În cazul în care calea ultrasunetelor de la traductor la structura reflectorizantă și înapoi nu este aceeași, apare o poziție incorectă a obiectului în imaginea rezultată. Artefactele din oglindă sunt aspectul unui obiect situat pe o parte a unui reflector puternic pe cealaltă parte (Fig. 37).

Orez. 37. Artefact în oglindă.

Artefactele speculare apar adesea în apropierea deschiderii.

Artefactul umbră acustică (Fig. 38) apare în spatele structurilor care reflectă puternic sau absorb puternic ultrasunetele. Mecanismul de formare a unei umbre acustice este similar cu formarea uneia optice.

Orez. 38. Umbra acustica.

Artefactul de amplificare a semnalului distal (Fig. 39) apare în spatele structurilor care absorb slab ultrasunetele (formațiuni lichide, care conțin lichide).

Orez. 39. Amplificarea ecoului distal.

Artefactul umbrelor laterale este asociat cu refracția și, uneori, interferența undelor ultrasonice atunci când un fascicul de ultrasunete cade tangențial pe o suprafață convexă (chist, vezica biliară cervicală) a unei structuri, viteza ultrasunetelor în care diferă semnificativ de țesuturile din jur ( Fig. 40).

Orez. 40. Umbre laterale.

Artefactele asociate cu determinarea incorectă a vitezei ultrasunetelor apar din cauza faptului că viteza reală de propagare a ultrasunetelor într-un anumit țesut este mai mare sau mai mică decât viteza medie (1,54 m/s) pentru care este programat dispozitivul (Fig. . 41).

Orez. 41. Distorsiuni datorate diferentelor de viteza ultrasunetelor (V1 si V2) in diferite medii.

Artefactele de grosime a fasciculului cu ultrasunete sunt apariția, în principal în organele care conțin lichid, a reflexiilor din apropierea peretelui datorită faptului că fasciculul ultrasonic are o grosime specifică și o parte din acest fascicul poate forma simultan o imagine a unui organ și o imagine a unui organ adiacent. structuri (Fig. 42).

Orez. 42. Un artefact al grosimii fasciculului ultrasonic.

CONTROLUL CALITATII AL FUNCTIONARII ECHIPAMENTULUI ULTRASONIC

Controlul calității echipamentelor cu ultrasunete include determinarea sensibilității relative a sistemului, rezoluția axială și laterală, zona moartă, funcționarea corectă a contorului de distanță, acuratețea înregistrării, funcționarea corectă a TVG, determinarea intervalului dinamic al scalei de gri etc. . Pentru a controla calitatea funcționării dispozitivelor cu ultrasunete, se folosesc obiecte speciale de testare sau fantome echivalente de țesut (Fig. 43). Sunt disponibile comercial, dar nu sunt utilizate pe scară largă în țara noastră, ceea ce face aproape imposibilă calibrarea echipamentelor de diagnosticare cu ultrasunete în domeniu.

Orez. 43. Obiect de testare al Institutului American de Ultrasunete în Medicină.

EFECTUL BIOLOGIC AL ECOGRAFEI ŞI SIGURANŢĂ

Efectul biologic al ultrasunetelor și siguranța acestuia pentru pacient este discutat constant în literatură. Cunoașterea efectelor biologice ale ultrasunetelor se bazează pe studiul mecanismelor efectelor ultrasunetelor, studiul efectului ultrasunetelor asupra culturilor celulare, studii experimentale pe plante, animale și, în final, pe studii epidemiologice.

Ultrasunetele pot provoca un efect biologic prin influente mecanice si termice. Atenuarea semnalului ultrasonic se datorează absorbției, adică. transformarea energiei undelor ultrasonice în căldură. Încălzirea țesuturilor crește odată cu creșterea intensității ultrasunetelor emise și a frecvenței acestuia. Cavitația este formarea de bule pulsatoare într-un lichid umplut cu gaz, abur sau un amestec al acestora. Una dintre cauzele cavitației poate fi unda ultrasonică. Deci ultrasunetele sunt dăunătoare sau nu?

Cercetările legate de efectele ultrasunetelor asupra celulelor, lucrările experimentale la plante și animale și studiile epidemiologice au determinat Institutul American de Ultrasunete în Medicină să facă următoarea declarație, care a fost confirmată ultima dată în 1993:

„Efecte biologice confirmate nu au fost niciodată raportate la pacienții sau persoanele care lucrează la dispozitiv, cauzate de iradiere (ultrasunete), a căror intensitate este tipică unităților moderne de diagnosticare cu ultrasunete. Deși este posibil ca astfel de efecte biologice să fie detectate în viitor , datele actuale indică, că beneficiul pentru pacient al utilizării prudente a ultrasunetelor de diagnostic depășește riscul potențial, dacă există.”

NOI DIRECȚII ÎN DIAGNOSTICUL ECOGRAFICO

Există o dezvoltare rapidă a diagnosticului cu ultrasunete, îmbunătățirea continuă a dispozitivelor de diagnosticare cu ultrasunete. Putem presupune câteva direcții principale pentru dezvoltarea viitoare a acestei metode de diagnostic.

Este posibilă îmbunătățirea ulterioară a tehnicilor Doppler, în special, cum ar fi Power Doppler, imagistica color Doppler a țesuturilor.

Ecografia tridimensională în viitor poate deveni un domeniu foarte important al diagnosticului cu ultrasunete. În prezent, există mai multe unități de diagnostic cu ultrasunete disponibile în comerț care permit reconstrucția imaginii tridimensionale, totuși, în timp ce semnificația clinică a acestei direcții rămâne neclară.

Conceptul de utilizare a contrastelor cu ultrasunete a fost prezentat pentru prima dată de R.Gramiak și P.M.Shah la sfârșitul anilor șaizeci, în timpul unui studiu ecocardiografic. În prezent, există un contrast disponibil comercial „Ehovist” (Shering), utilizat pentru imagistica inimii drepte. Recent a fost modificat pentru a reduce dimensiunea particulelor de contrast și poate fi reciclat în sistemul circulator uman (Levovist, Schering). Acest medicament îmbunătățește semnificativ semnalul Doppler, atât spectral, cât și color, care poate fi esențial pentru evaluarea fluxului sanguin tumoral.

Ecografia intracavitară folosind senzori ultrasubțiri deschide noi posibilități pentru studiul organelor și structurilor goale. Cu toate acestea, în prezent, utilizarea pe scară largă a acestei tehnici este limitată de costul ridicat al senzorilor specializați, care, de altfel, pot fi utilizați pentru cercetare de un număr limitat de ori (1÷40).

Procesarea computerizată a imaginilor în scopul obiectivării informațiilor obținute este o direcție promițătoare care poate îmbunătăți acuratețea diagnosticării modificărilor structurale minore ale organelor parenchimatoase în viitor. Din păcate, rezultatele obținute până acum nu au o semnificație clinică semnificativă.

Cu toate acestea, ceea ce ieri părea un viitor îndepărtat în diagnosticul cu ultrasunete a devenit astăzi o practică de rutină comună și, probabil, în viitorul apropiat vom asista la introducerea în practica clinică a noilor tehnici de diagnostic cu ultrasunete.

LITERATURĂ

1. Institutul American de Ultrasunete în Medicină. Comitetul pentru efectele biologice AIUM. - J. Ecografie Med. - 1983; 2: R14.
2. Evaluarea AIUM a rapoartelor de cercetare a efectelor biologice. Bethesda, MD, Institutul American de Ultrasunete în Medicină, 1984.
3. Institutul American de Ultrasunete în Medicină. Declarații de siguranță AIUM. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R69.
4. Institutul American de Ultrasunete în Medicină. Declarație privind siguranța clinică. - J. Ecografie Med. - 1984; 3:R10.
5. Banjavic RA. Proiectarea și întreținerea unei asigurări de calitate a echipamentelor de diagnosticare cu ultrasunete. - Semin. Ecografie - 1983; 4:10-26.
6. Comitetul pentru efecte biologice. Considerații de siguranță pentru diagnosticul cu ultrasunete. Laurel, MD, Institutul American de Ultrasunete în Medicină, 1991.
7. Subcomitetul Conferinței Bioefectele. Bioefectele și siguranța ultrasunetelor de diagnostic. Laurel, MD, Institutul American de Ultrasunete în Medicină, 1993.
8. Eden A. Căutarea lui Christian Doppler. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et al. Ultrasunete Doppler: fizică, instrumentație și aplicații clinice. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gil RW. Măsurarea fluxului sanguin prin ultrasunete: acuratețe și surse de erori. - Ecografie Med. Biol. - 1985; 11:625-641.
11. Guyton AC. Manual de Fiziologie Medicală. ediția a 7-a. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter TV, Haber K. O comparație a scanării în timp real cu scanarea statică convențională în modul B. - J. Ecografie Med. - 1983; 2:363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Imagini Doppler Color Flow. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau F.W. Efecte biologice și posibile pericole. În: Campbell S, ed. Ecografia în Obstetrică și Ginecologie. Londra, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau F.W. Eroare de unghi Doppler din cauza refracției. - Ecografie Med. Biol. - 1990; 16:523-524. - 1991; 17:97.
16. Kremkau F.W. Date de frecvență de deplasare Doppler. - J. Ecografie Med. - 1987; 6:167.
17. Kremkau F.W. Siguranța și efectele pe termen lung ale ultrasunetelor: Ce să le spuneți pacienților dvs. În: Platt LD, ed. Ecografie perinatala; Clin. obstet. Ginecol.- 1984; 27:269-275.
18. Kremkau F.W. Subiecte tehnice (o coloană care apare bilunar în secțiunea Reflecții). - J. Ecografie Med. - 1983; 2.
19. Laing F.C. Artefacte întâlnite frecvent în ecografia clinică. - Semin. Ecografie-1983; 4:27-43.
20. Merrit CRB, ed. Imagistica color Doppler. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. hemodinamica. editia a 2-a. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Sonar pentru animale. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O „Rourke MF. Fluxul sanguin al McDonald’s în arterele. Philadelphia, Lea & Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Ecografia Doppler practică pentru clinician. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Considerații de siguranță pentru diagnosticul cu ultrasunete. Bethesda, MD, Institutul American de Ultrasunete în Medicină, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Fizica Doppler de bază. Madison, Wl, Editura de fizică medicală, 1991.
27. Zweibel WJ. Revizuirea termenilor de bază în ecografie de diagnostic. - Semin. Ecografie - 1983; 4:60-62.
28. Zwiebel WJ. Fizică. - Semin. Ecografie - 1983; 4:1-62.
29. P. Golyamina, cap. ed. Ecografie. Moscova, „Enciclopedia Sovietică”, 1979.

ÎNTREBĂRI DE TEST

1. Baza metodei de cercetare cu ultrasunete este:
   A. vizualizarea organelor și țesuturilor pe ecranul dispozitivului
   B. interacțiunea ultrasunetelor cu țesuturile corpului uman
   B. primind ecouri
   G. radiaţii cu ultrasunete
   D. reprezentarea în tonuri de gri a imaginii pe ecranul instrumentului
2. Ultrasunetele este un sunet a cărui frecvență nu este mai mică decât:
   a.15kHz
   B. 20000 Hz
   B. 1 MHz D. 30 Hz D. 20 Hz
3. Viteza de propagare a ultrasunetelor crește dacă:
   A. densitatea mediului crește
   B. densitatea mediului scade
   B. elasticitatea crește
   D. densitate, creșterea elasticității
   D. densitatea scade, elasticitatea crește
4. Viteza medie de propagare a ultrasunetelor în țesuturile moi este:
   A. 1450 m/s
   B. 1620 m/s
   B. 1540 m/s
   D. 1300 m/s
   D. 1420 m/s
5. Viteza de propagare a ultrasunetelor este determinată de:
   A. frecventa
   B. Amplitudine
   B. Lungimea de undă
   G. perioada
   D. Miercuri
6. Lungimea de undă în țesuturile moi cu frecvență crescândă:
   A. în scădere
   B. rămâne neschimbată
   B. crește
7. Având valorile vitezei de propagare a ultrasunetelor și frecvenței, putem calcula:
   A. Amplitudine
   B. perioada
   B. Lungimea de undă
   D. amplitudinea si perioada E. perioada si lungimea de unda
8. Odată cu creșterea frecvenței, coeficientul de atenuare în țesuturile moi:
   A. în scădere
   B. rămâne neschimbată
   B. crește
9. Care dintre următorii parametri determină proprietățile mediului prin care trece ultrasunetele:
   a.rezistenta
   B. intensitate
   B. Amplitudine
   frecvența G
   D. perioada
10. Care dintre următorii parametri nu pot fi determinați din restul disponibil:
    A. Frecvența
    B. perioada
    B. Amplitudine
    G. Lungimea de undă
    D. viteza de propagare
11. Ultrasunetele sunt reflectate de la granița mediilor care au diferențe în:
    A. Densitatea
    B. Impedanta acustica
    B. viteza ultrasunetelor
    G. elasticitate
    D. Viteza și elasticitatea ultrasunetelor
12. Pentru a calcula distanța până la reflector, trebuie să știți:
    A. atenuare, viteză, densitate
    B. atenuare, rezistenţă
    B. atenuare, absorbţie
    D. timpul de revenire a semnalului, viteza
    D. densitate, viteză
13. Ecografia poate fi focalizată:
    a. element deformat
    B. reflector curbat
    B. Lentila
    G. antenă fază
    D. toate cele de mai sus
14. Rezoluția axială este determinată de:
    A. focalizarea
    B. distanta obiectului
    B. tip senzor
    D. Miercuri
15. Rezoluția transversală este determinată de:
    A. focalizarea
    B. distanta obiectului
    B. tip senzor
    G. numărul de oscilaţii dintr-un impuls
    D miercuri

Capitolul din volumul I al ghidului de diagnosticare cu ultrasunete,

scris de personalul Departamentului de Diagnostic cu ultrasunete

Academia Medicală Rusă de Educație Postuniversitară