Методы диагностики и лечения по                параметрам БАТ

4.6. Физические основы ультразвука.

     Учение об ультразвуке является разделом акустики, и законы звукового диапазона характерны по существу и для диапазона ультразвуковых колебаний [33,34]. Как известно, звук представляет собой волнообразное распространяющееся колебательное движение частиц упругой среды. В результате смещения частиц в среде образуются участки повышенного и пониженного давления, чередующиеся с определенной частотой. Чередование фаз сжатия и разряжения приводит к возникновению волн, распространяющихся в среде.

     Колебания с частотой выше 16 кГц называют ультразвуковыми колебаниями. Они лежат за пределами чувствительности уха. Если при распространении волн величины, характеризующие состояние среды ( например, плотность, смещение частиц и т. д.) изменяются в любой точке пространства по синусоидальному закону , то такие волны называют синусоидальными. Важной характеристикой волн являются длина волны ?- это расстояние между двумя точками среды, находящимися в одинаковой фазе колебания. Между длиной волны и частотой колебаний существует обратно пропорциональная зависимость. Скорость распространения ультразвука в среде (с) зависит от плотности (?), её упругих свойств и температуры (в связи с постоянством температуры тела человека этот показатель не влияет существенно на результата клинических изменений). Скорость распространения ультразвука прямо пропорциональна длине волны и частоты колебаний ?:

    (4.4)
     В мягких тканях тела человека она составляет примерно 1540 м/с . Частота колебаний, которая используется в клинических исследованиях, составляет 2.25 МГц. Таким образом, длина волны ультразвука составляет 0.6 мм. При такой длине волны ультразвук легко фокусируется в луч, что очень важно при проведении диагностического исследования. Зная скорость распространения ультразвука (с), можно определить размеры исследуемых объектов и глубину залегания отражающих ультразвук структур, так как путь, проходимый ультразвуком (S), вычисляется по формуле:

    (4.5)

  где t - время, в течение которого луч проходит через исследуемый объект.

     При определении глубины залегания отражающей структуры путь, проходимый ультразвуком , делят пополам, так как расстояние до структуры луч проходит дважды:

    (4.6)

  Мощность ультразвуковой энергии характеризует амплитуда колебаний ультразвуковой волны при одной и той же частоте колебаний.

     Интенсивность колебаний определяется количеством энергии, проходящей за одну секунду через один квадратный сантиметр площадью, расположенной перпендикулярно к направлению распространения ультразвукового луча, и измеряется в ваттах на квадратный сантиметр. В медицинской практике интенсивность ультразвуковых колебаний подразделяется на три основных вида: малая (до 1, 5 Вт/см2), средняя (1,5 - 3 Вт/см2) и большая (3 - 10 Вт/см2).

     Поглощение ультразвуковых колебаний и их рассеивание характеризует глубину проникновения ультразвука в ткани. Потери энергии ультразвука при прохождении через среду возрастают с увеличением частоты колебаний, вязкости среды и её теплопроводность. Для определения степени поглощения и ослабления ультразвука в ткани введён термин “глубина полупоглощения”, отражающий расстояние, которое должен пройти ультразвук в данной среде, пока его энергия не уменьшится в двое (табл. 4.1.). 

Ткань	Частота, Мгц	Глубина полупоглащения, см
Мышца	0,8	2,1
Жировая ткань	0,8	3,3
Костная ткань	0,8	0,23
Кровь	1,0	35,0

Распространение ультразвуковых колебаний.

     Если длина волны значительно превышает диаметр пластины излучателя, то звуковые волны распространяются во все стороны от источника в форме так называемых сферических волн. Если же длина волны уменьшается , то ультразвуковая энергия концентрируется в луч. Ультразвуковые колебания имеют очень малую длину волны и могут быть получены в виде узких пучков, распространяющихся аналогично световым лучам по законам оптики. Параллельное прохождение луча (l) определяется радиусом датчика (r) и длиной волны (?).

    (4.7)

     Например, если выбрать датчик диаметром r = 12 см и при частоте ультразвука 2.25 МГц луч будет оставаться параллельным на расстоянии 6 см. На глубине 10 см ширина луча уже будет в двое больше диаметра датчика. При диаметре датчика 1 мм l= 0.4 мм. Для уменьшения степени расхождения луча применяют датчики с фокусирующими ультразвуковыми линзами. (рис. 4.16). 

Рис. 4.16. Схема фокусированного
ультразвукового датчика.

     Вогнутая линза делает луч сходящимся в начальном отделе и значительно уменьшает степень его расхождения в дальнейшем. Использование линз с разной степенью кривизны позволяет создать фокусную линзу а различном расстояние от датчика.

     Отражение ультразвука. Характер прохождения ультразвукового луча через ту или иную среду зависит от её сопротивления (Z). Сопротивление ткани зависит от её плотности (?) и скорости распространения (с):

    (4.8)

     Когда луч проходит через гомогенную среду, его ход представляет прямую линию. Достигнув границы раздела след с различным ультразвуковым сопротивлением, часть ультразвука отражается, а другая часть продолжает свой путь через среду. Коэффициент отражения (K) зависит от разности ультразвукового сопротивления на границе раздела среды

    (4.9)

 где , соответственно акустические сопротивления сред.

     При этом чем больше разность, тем сильнее степень отражения (рис.4.17). 

Рис. 4.17. Схема отражения ультразвука на
границе раздела сред с малым (1-2) и
большим (3-4) ультразвуковым
сопротивлением.

     При этом степень отражения зависит от угла падения луча на поверхность раздела сред: чем больше угол приближается к прямому, тем сильнее степень отражения. Чем выше частота ультразвука (т. е., чем короче длина волны), тем меньше допустимое расстояние между двумя границами раздела сред, от которых возможно отражение (т.е., тем выше разрешающая способность). Распространение и отражение ультразвука - два основных принципа, на которых основано действие всей диагностической ультразвуковой аппаратуры.

     Получение ультразвуковых колебаний. Основой генерирования и регистрацией ультразвуковых колебаний является прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Для получения ультразвуковых колебаний используют обратный пьезоэлектрический эффект , сущность которого заключается в том, что при создании электрических зарядов на поверхности граней кристалла, последний начинает сжиматься и растягиваться, генерируя акустические колебания. Большим преимуществом пьезоэлектрических преобразователей является то, что источник ультразвука может служить одновременно и его приёмником. При этом в действие вступает прямой пьезоэлектрический эффект, когда при деформации пьезокристалла воспринимаемым ультразвуковым сигналом на его гранях образуются разностные электрические потенциалы, которые регистрируются . Длина волны генерируемого ультразвука зависит от толщины пластинки кристалла, соответствующей в грубом приближении половине генерируемой волны. Для получения ультразвуковых колебаний чаще всего используется кристалл титаната циркония , сегнетова соль , дигидрофосфат калия и др. Коэффициент полезного действия достигает 60 -90 %. В эхокардиографической практике используют различные датчики, имеющие различный диаметр от 0.7 до 2 см и фокусное расстояние от 6 до 14 см. Выбор датчика зависит от особенностей проводимого исследования.

     Особенностью датчика для диагностики состояния тканей зуба является то, что его диметр должен быть малым (от 0.7 до 1.5 мм).

     При разработке устройства исходными данными являлись исследования, проведённые Коссоффом и Харпе по определению сопротивлений тканей зуба (табл.2), в которых приводятся данные о плотности (?) акустическом сопротивлении (Z) и скорости (с) прохождения через ткани зуба.

     На границе раздела двух сред образуются отражённые волны, амплитуда которых (А) зависит от акустического сопротивления соприкасающихся сред и амплитуды излучающей волны.

    (4.10)

 где Аотр - амплитуда отраженной волны, Аизл- амплитуда излучающей волны, - коэффициент отражения.

     Следовательно,

    (4.11)