Ultraljudshastighet i vakuum. Ultraljudshastighet i vatten (bilaga e). Absorption av ultraljudsvågor
Ultraljud - elastisk mekanisk longitudinell våg, vars frekvens överstiger 20 000 Hz. Inom medicin används ultraljud med en frekvens på 1-1,5 MHz.
På grund av sin höga frekvens fortplantar sig en ultraljudsvåg i form av strålar (på grund av den korta längden på en ultraljudsvåg kan dess vågegenskaper försummas). Sådana strålar kan fokuseras med hjälp av speciella akustiska linser och därmed uppnå en hög intensitet av ultraljudsvågen. Dessutom, eftersom vågens intensitet är proportionell mot kvadraten på frekvensen och amplituden för svängningarna, förutbestämmer den höga frekvensen av ultraljudsvågen, även vid dess små amplituder, möjligheten att erhålla ultraljudsvågor med hög intensitet.
Metoder för att få ultraljud
:
1. magnetostriktiv (ultraljud upp till 200 kHz tas emot). Magnetostriktion är en förändring i formen och volymen av en ferromagnet (järn, dess legeringar med nickel) när den placeras i ett växelmagnetiskt fält. Ett växelmagnetfält är ett fält vars magnetiska induktionsvektor förändras i tiden enligt en harmonisk lag, d.v.s. ändringen av den angivna parametern kännetecknas av en viss frekvens. Detta fält fungerar som en drivkraft, vilket gör att järnstaven drar ihop sig och sträcker sig beroende på förändringen i magnituden av den magnetiska induktionen över tiden. Frekvensen av kompression och spänning kommer att bestämmas av variabelns frekvens magnetiskt fält. I det här fallet uppstår kompressionsdeformationer i luften vid ändarna av staven, som fortplantar sig i form av ultraljudsvågor.
En ökning av amplituden för ultraljudsvågor uppnås genom att välja en sådan frekvens av ett alternerande magnetfält vid vilken en resonans observeras mellan stavens naturliga och forcerade svängningar.
2. Omvänd piezoelektrisk effekt (de tar emot ultraljud över 200 kHz). Piezoelektrik - ämnen av en kristallin struktur som har en piezoelektrisk axel, det vill säga riktningen i vilken de lätt deformeras (kvarts, Rochelle-salt, bariumtitanat, etc.) När sådana ämnen placeras i ett växlande elektriskt fält (det elektriska fältet) hållfastheten fluktuerar enligt en harmonisk lag), börjar piezoelektrik att komprimeras och sträcka sig längs den piezoelektriska axeln med frekvensen av det växlande elektriska fältet. I detta fall uppstår mekaniska störningar runt kristallen - deformationer av kompression och sällsynthet, som fortplantar sig i form av ultraljudsvågor. Resonansfenomen spelar en roll för att uppnå den önskade amplituden.
Effekten kallas den omvända, eftersom den historiskt upptäcktes tidigare direkt piezoelektrisk effekt- fenomenet att ett växlande elektriskt fält uppstår under deformationen av piezoelektrik.
Närvaron av direkt och omvänd piezoelektrisk effekt är mycket viktig för driften av diagnostiska ultraljudsinstrument. För att rikta en ultraljudsvåg till patientens kropp är det nödvändigt att ta emot den, vilket görs med hjälp av den omvända piezoelektriska effekten. För att registrera och visualisera den reflekterade ultraljudsvågen är det nödvändigt att omvandla det till ett elektriskt fält, vilket uppnås med den direkta piezoelektriska effekten.
Funktioner för utbredningen av ultraljudsvågor
1) I en homogen miljö. När en ultraljudsvåg med intensitet I passerar genom ett lager av materia med en bredd av dess bredd, minskar dess intensitet och blir lika med I \u003d I 0 e -αd, var jag 0- initial intensitet av ultraljudsvågen; jag- intensiteten hos vågen efter att ha passerat genom materialagret, d - materiallagrets bredd, - α-koefficient för vågutsläckning.
Utrotningen av ultraljudsvågen orsakas av två processer: energiförlust i vävnader (associerad med den cellulära heterogeniteten hos organ) och dess absorption (associerad med vävnadernas makromolekylära struktur). Värdet på extinktionskoefficienten är en viktig diagnostisk egenskap. Således har levern en låg dämpningskoefficient för ultraljudsvågor på grund av den låga spridningskoefficienten. Med cirros ökar detta värde kraftigt.
Absorption av ultraljudsvågor av vävnader är grunden för att diagnostisera tillståndet hos inre organ enligt principen sändningar - analys av intensiteten av den våg som passerade genom patientens kropp, och användningen av ultraljud i terapi och kirurgi.
2) På gränsen mellan två miljöer. När en ultraljudsvåg av intensitet träffar gränssnittet mellan media, reflekteras vågen och vågen absorberas.
Den del av energin som kommer att finnas i den reflekterade vågen beror på förhållandet mellan medias akustiska impedanser. Således reflekteras nästan 100 % av energin vid gränsen mellan patientens kropp och luften. Därför, för att ultraljudsvågen ska komma in i patientens kropp, används speciella geler (målet är att minska skillnaden i medias akustiska motstånd).
Reflexionen av en ultraljudsvåg från inhomogeniteter och gränser för inre organ är grunden för att diagnostisera deras tillstånd enligt principen ekolokalisering- analys av den reflekterade ultraljudsvågens intensitet. Ultraljud - en våg riktad mot patientens kropp kallas sonderingssignal och den reflekterade ultraljudsvågen - eko.
Reflexionen av ultraljudsvågor beror också på storleken på de reflekterande strukturerna:
Om storleken på de reflekterande strukturerna är jämförbar med längden på ultraljudsvågen, kommer vågorna att diffrakteras, dvs. vågböjning runt strukturen, följt av energiförlust i vävnader och bildandet av en ultraljudskugga. Detta begränsar upplösningen av ultraljudsdiagnostik;
Om storleken på de reflekterande strukturerna är större än längden på ultraljudsvågen, kommer den senare att reflekteras, och ekosignalens intensitet kommer att bero på riktningen för sonderingssignalen, formen och storleken på de reflekterande strukturerna. Det finns sk spegelstrukturer, amplituden av ekosignaler som har de största värdena (blodkärl, hålrum, gränser för organ och vävnader).
I allmänhet är dock ekosignalernas intensitet mycket låg, vilket kräver mycket känslig utrustning för deras registrering, men å andra sidan bestämmer ultraljudsvågornas penetration in i djupare inre strukturer och bidrar till deras visualisering.
Användningen av ultraljud i diagnostik
För diagnostiska ändamål används lågintensiva ultraljudsvågor, som inte orsakar biologiska effekter i vävnader - upp till 0,1 tis på sq.cm
Med hjälp av en ultraljudssensor, baserad på den omvända piezoelektriska effekten, erhålls en ultraljudsonderingssignal och en ekosignal tas emot. Det senare i sensorn omvandlas, som ett resultat av den direkta piezoelektriska effekten, till ett växlande elektriskt fält, vilket gör det möjligt att registrera, förstärka och visualisera ekosignaler med hjälp av elektronisk utrustning.
Enligt metoden för registrering och reflektion av ekosignaler på skärmen på elektroniska enheter särskiljs följande lägen för ultraljudsskanning:
- A-läge (amplitudläge). Ekosignaler som omvandlas till ett elektriskt fält i sensorn orsakar en vertikal avböjning av svepstrålen i form av toppar, vars amplitud kommer att bero på intensiteten hos den reflekterade ultraljudsvågen, och platsen på oscilloskopskärmen kommer att bestämma djupet av den reflekterande strukturen på mätanordningens skala. Ett exempel på användningen av A-läge inom medicin är ekoencefaloskopi- en ultraljudsskanningsteknik som används inom neurologi och neurokirurgi för att diagnostisera volymetriska lesioner i hjärnan (hematom, tumörprocesser, etc.). Huvudekosignalerna (maximalt i amplitud) bildas av reflektion från kraniet vid platsen för sensorn, medianstrukturer och kraniet på den motsatta sidan. Förskjutningen av den centrala toppen till höger eller vänster sida kan indikera närvaron av patologi, respektive, av vänster eller höger hjärnhalva.
- B-läge (ljusstyrka). Ekosignaler som omvandlas till ett elektriskt fält i sensorn gör att prickar med olika ljusstyrka lyser på skärmen: ju större fluktuationen i det elektriska fältets styrka (som i sin tur beror på ekosignalens intensitet), desto ljusare och mer voluminös fläck bildas på mätanordningens skärm. För att implementera läget används komplexa sensorer av ultraljudsvågor, som innehåller många element som avger sonderande stimuli och omvandlar ekosignaler. Även riktningen för sonderingssignalerna ändras. Elektronisk utrustning ackumulerar forskningsdata från samma del av kroppen, erhållen med hjälp av alla sensorelement och i olika riktningar, och, genom att integrera dem, bildar det en bild av det studerade organet i realtid på mätanordningens skala. På detta sätt tvådimensionell ekotomografi.
- M-läge (rörelseläge). Gör att du kan ta emot ekogram av kroppens rörliga strukturer. Liksom vid implementeringen av A-moden förblir sonderingssignalernas riktning oförändrad under hela studietiden, men sonderingen utförs upprepade gånger så att bildningsperioden M -
ekogram överskred rörelseperioden för de studerade strukturerna och perioden för bildandet av A -
ekogram. Förändringen i djupet av den rörliga strukturen i tid registreras (förskjutning av mätanordningens stråle längs axeln X). Amplituden för ekosignalerna visas som fläckar med varierande ljusstyrka (som i läge B). Med varje efterföljande sondering förskjuts det longitudinella ekogrammet en liten del i riktningen vinkelrät mot djupbildsaxeln (tid). Används oftast på kliniken ekokardiografi.
Interaktion av ultraljud med materia. Användningen av ultraljud i terapi och kirurgi.
Ultraljud kännetecknas av följande typer av verkan på ett ämne:
- mekanisk verkan. Det är förknippat med deformationen av ämnets mikrostruktur på grund av det periodiska tillvägagångssättet och separationen av mikropartiklarna som utgör ämnet. Till exempel, i en vätska, orsakar en ultraljudsvåg brott i dess integritet med bildandet av håligheter - kavitation. Detta är ett energiskt ogynnsamt tillstånd av vätskor, så hålrummen stängs snabbt med frigörandet av en stor mängd energi.
- termisk effekt. Detta beror på det faktum att energin som finns i ultraljudsvågen och frigörs när kavitationerna är stängda delvis försvinner i vävnaderna i form av värme, vilket leder till deras uppvärmning.
- fysisk och kemisk verkan. Det manifesterar sig i jonisering och dissociering av molekyler av ämnen, acceleration av kemiska reaktioner (till exempel oxidation och reduktion), etc.
Baserat på den komplexa verkan av mekaniska, termiska och fysikalisk-kemiska faktorer biologisk effekt av ultraljud. Denna åtgärd kommer att bestämmas av intensiteten på ultraljudsvågen.
Ultraljud av låg och medelhög intensitet (respektive 1,5 tis på kvm. centimeter. och 3 tis på sq.cm) orsaka positiva effekter i levande organismer, stimulera normala fysiologiska processer. Detta är grunden för användningen av ultraljud i sjukgymnastik. US förbättrar permeabiliteten cellmembran, aktiverar alla typer av transport genom membranet, påverkar hastigheten för biokemiska reaktioner.
En ökning av intensiteten av ultraljudsvågen leder till destruktiv handling på cellerna. Det används för att sterilisera medicinska anläggningar genom att förstöra virus, bakterier och svampceller med ultraljud.
Högintensivt ultraljud används i stor utsträckning inom kirurgi. Vissa operationer utförs med hjälp av en ultraljudsskalpell. De är smärtfria, åtföljda av små blödningar, sår läker snabbare, inklusive på grund av sterilisering av såret med ultraljud.
Ultraljud används ofta inom ortopedi: för vissa operationer på benet används det ultraljudsfil, Ultraljud används för att koppla ben till varandra och fästa benimplantat till dem.
Litotripsi- en teknik för att förstöra stenar i njurarna och gallblåsan med hjälp av riktad verkan av ultraljudsvågor med hög intensitet.
Dopplerekokardiografi
Dopplereffekt- förändring i frekvensen av de vågor som uppfattas av mottagaren på grund av den relativa rörelsen mellan vågkällan och mottagaren. För att beräkna frekvensen av vågorna som uppfattas av mottagaren, använd formeln:
Där v mottagning är frekvensen för de vågor som uppfattas av mottagaren, v källa är frekvensen för de vågor som emitteras av källan, v 0 är våghastigheten, u 0 är hastigheten för vågmottagaren, u källan är hastigheten på vågkällan.
De övre tecknen i täljaren och nämnaren kännetecknar de fall då källan och mottagaren av ultraljudsvågor närmar sig varandra, och de nedre tecknen kännetecknar fallen när källan och mottagaren av ultraljudsvågor rör sig bort.
Dopplerekokardiografi- en teknik för att studera hastigheten på blodflödet och rörelsen hos kroppens rörliga strukturer (hjärta och blodkärl), baserad på användningen av dopplereffekten.
En ultraljudsvåg med en viss frekvens ν sänds ut i mjukvävnader med hjälp av en fast sensor, varefter ekosignaler registreras, reflekterade från rörliga element (främst från bloderytrocyter) och har en frekvens ν`` på grund av Dopplereffekten.
Dopplereffekten observeras två gånger:
För det första är sensorn en vågkälla med en frekvens ν, och erytrocyten är en mottagare. Som ett resultat av rörelsen kommer erytrocyten att uppfatta en våg med en frekvens ν`.
En erytrocyt kommer att reflektera en ultraljudsvåg som har träffat den med en frekvens ν`, men sensorn som ekosignalen kommer tillbaka till, på grund av erytrocytens rörlighet, kommer att uppfatta den med en frekvens ν``.
Den diagnostiska egenskapen är skillnaden Δν = ν - ν`` , som kallas Dopplerfrekvensförskjutning. Denna skillnad beror på hastigheten på erytrocytrörelsen, dvs. och det totala blodflödet.
Dopplerfrekvensförskjutningen ligger inom ljudområdet och kan höras av en erfaren läkare med hjälp av speciella apparater. Det finns mer moderna metoder för att visualisera dopplerfrekvensförskjutningen.
Avsnittet av ultraljuds fysik är ganska fullt täckt i ett antal moderna monografier om ekografi. Vi kommer bara att fokusera på några av egenskaperna hos ultraljud, utan kunskap om vilka det är omöjligt att förstå processen för att erhålla ultraljudsavbildning.
Ultraljudshastighet och specifik vågmotstånd hos mänskliga vävnader (enligt V.N. Demidov)
En ultraljudsvåg, som har nått gränsen mellan två medier, kan reflekteras eller gå längre. Reflektionskoefficienten för ultraljud beror på skillnaden i ultraljudsresistans vid gränssnittet mellan media: ju större skillnaden är, desto starkare är reflektionsgraden. Graden av reflektion beror på strålens infallsvinkel på mediagränssnittet: ju mer vinkeln närmar sig en rät linje, desto starkare blir reflektionsgraden.
Genom att veta detta är det alltså möjligt att hitta den optimala ultraljudsfrekvensen, som ger maximal upplösning med tillräcklig penetreringskraft.
De grundläggande principerna på vilka driften av ultraljudsdiagnosutrustning är baserad, - detta är Spridning och reflektion av ultraljud.
Funktionsprincipen för diagnostiska ultraljudsapparater är att reflektion av ultraljudsvibrationer från gränssnitten av vävnader med ett visst värde av akustiskt motstånd. Det antas att reflektionen av ultraljudsvågor vid gränssnittet inträffar när skillnaden mellan medias akustiska densiteter är minst 1 %. Storleken på reflektionen av ljudvågor beror på skillnaden i akustisk densitet vid gränssnittet mellan media, och graden av reflektion beror på ultraljudsstrålens infallsvinkel.
Erhålla ultraljudsvibrationer
Produktionen av ultraljudsvibrationer är baserad på den direkta och omvända piezoelektriska effekten, vars essens ligger i det faktum att när elektriska laddningar skapas på ytan av kristallytorna, börjar den senare att krympa och sträcka sig. Fördelen med piezoelektriska givare är ultraljudskällans förmåga att samtidigt fungera som dess mottagare.
Diagram över strukturen för ultraljudssensorn
Sensorn innehåller en piezokristall, på vars ytor elektroder är fixerade. Bakom kristallen finns ett lager av ämne som absorberar ultraljud, som fortplantar sig i motsatt riktning mot vad som krävs. Detta förbättrar kvaliteten på den resulterande ultraljudsstrålen. Typiskt har ultraljudsstrålen som genereras av givaren en maximal effekt i mitten, och den minskar vid kanterna, vilket resulterar i att upplösningen av ultraljud är annorlunda i mitten och runt periferin. I mitten av strålen kan du alltid få stabila reflektioner från både mer och mindre täta föremål, medan i strålens periferi kan mindre täta föremål reflekteras, och tätare föremål kan reflekteras som mindre täta.
Moderna piezoelektriska material tillåter givare att skicka och ta emot ultraljud över ett brett spektrum av frekvenser. Det är möjligt att styra formen på den akustiska signalens spektrum, skapa och bibehålla en Gaussisk vågform som är mer motståndskraftig mot distorsion av frekvensbandet och offset av mittfrekvensen.
I den senaste designen av ultraljudsenheter tillhandahålls hög upplösning och bildskärpa genom att använda ett dynamiskt fokussystem och ett bredbandsekofilter för att fokusera inkommande och utgående ultraljudsstrålar med hjälp av en mikrodator. På detta sätt säkerställs en idealisk profilering och förbättring av ultraljudsstrålen och de laterala upplösningsegenskaperna för bilden av djupa strukturer som erhålls genom sektorskanning. Fokusparametrar ställs in efter frekvens och typ av sensor. Bredbandsekofiltret ger optimal upplösning genom att perfekt matcha frekvenser för att absorbera mjukvävnadsekon. Användningen av flerelementssensorer med hög densitet hjälper till att eliminera falska ekon på grund av sido- och bakdiffraktion.
Idag i världen råder en hård konkurrens mellan företag om att skapa högkvalitativa visuella system som uppfyller de högsta kraven.
I synnerhet har Acuson Corporation satt en specifik standard för bildkvalitet och klinisk variation, och har utvecklat 128 XP™-plattformen, en grundläggande modul för ständiga förbättringar som gör det möjligt för kliniker att utöka omfattningen av klinisk forskning baserat på behov.
Plattformen använder 128 elektroniskt oberoende kanaler som kan användas samtidigt för både sändning och mottagning, vilket ger exceptionell rumslig upplösning, vävnadskontrast och bildlikformighet över hela synfältet.
Diagnostiska instrument för ultraljud är indelade i tre klasser: endimensionell, tvådimensionell och tredimensionell.
I endimensionella skannrar presenteras information om ett objekt i en dimension längs objektets djup, och bilden registreras som vertikala toppar. Topparnas amplitud och form används för att bedöma vävnadens strukturella egenskaper och djupet av reflektionsområdena för ekosignalerna. Denna typ av anordning används i ekoencefalografi för att bestämma förskjutningen av hjärnans mittlinjestrukturer och volymetriska (flytande och fasta) formationer, inom oftalmologi - för att bestämma ögats storlek, närvaron av tumörer och främmande kroppar, i ekopulsografi - för att studera pulseringen av halspulsådern och kotartärerna på nacken och deras intrakraniella grenar, etc. För dessa ändamål används en frekvens på 0,88-1,76 MHz.
2D skannrar
2D skannrarär uppdelade i enheter för manuell skanning och realtidsskanning.
För närvarande, för studier av ytstrukturer och inre organ, används endast realtidsinstrument, där information kontinuerligt reflekteras på skärmen, vilket gör det möjligt att dynamiskt övervaka organets tillstånd, särskilt när man studerar rörliga strukturer. Driftsfrekvensen för dessa enheter är från 0,5 till 10,0 MHz.
I praktiken används oftare sensorer med en frekvens på 2,5 till 8 MHz.
3D-skannrar
För deras användning krävs vissa villkor:
- närvaron av en formation som har en rundad eller välkontur form;
- förekomsten av strukturella formationer lokaliserade i vätskeutrymmena (foster i livmodern, ögongloben, stenar i gallblåsan, främmande kropp, polyp i magen eller tarmarna fyllda med vätska, appendix mot bakgrund av inflammatorisk vätska, såväl som all buk organ mot bakgrund av ascitisk vätska );
- stillasittande strukturella formationer (ögonglob, prostata, etc.).
Således, med hänsyn till dessa krav, kan tredimensionella skannrar framgångsrikt användas för forskning inom obstetrik, med volympatologi i bukhålan för mer exakt differentiering från andra strukturer, i urologi för att undersöka prostata för att differentiera den strukturella penetrationen av kapseln, inom oftalmologi, kardiologi, neurologi och angiologi.
På grund av komplexiteten i användningen, den höga kostnaden för utrustning, förekomsten av många villkor och begränsningar, används de sällan för närvarande. i alla fall 3D-skanning — detta är framtidens ekografi.
Dopplerekografi
Principen för Doppler-sonografi är att frekvensen av en ultraljudssignal, när den reflekteras från ett rörligt föremål, ändras i proportion till dess hastighet och beror på ultraljudsfrekvensen och vinkeln mellan ultraljudets utbredningsriktning och flödesriktningen. Denna metod har framgångsrikt tillämpats inom kardiologi.
Metoden är också av intresse för internmedicin på grund av dess förmåga att ge tillförlitlig information om tillståndet för blodkärlen i inre organ utan införande av kontrastmedel i kroppen.
Det används oftare i en omfattande undersökning av patienter med misstänkt portalhypertoni i dess tidiga skeden, för att bestämma svårighetsgraden av portalcirkulationsstörningar, bestämma nivån och orsaken till blockad i portalvensystemet, samt för att studera förändringar i portalen. blodflöde hos patienter med levercirros vid administrering av läkemedel (betablockerare, ACE-hämmare, etc.).
Alla enheter är utrustade med ultraljudssensorer av två typer: elektromekaniska och elektroniska. Båda typerna av sensorer, men oftare elektroniska, har modifieringar för användning inom olika medicinområden vid undersökning av vuxna och barn.
I den klassiska versionen av realtid används 4 metoder för elektronisk skanning : sektor, linjär, konvex och trapetsformad, var och en kännetecknas av specifika egenskaper i förhållande till observationsfältet. Forskaren kan välja skanningsmetod beroende på uppgiften framför honom och platsen.
Sektorskanning
Fördelar:
- stort synfält vid undersökning av djupa områden.
Applikationsområde:
– kraniologiska studier av nyfödda genom en stor fontanel;
– Kardiologiska studier.
- allmänna bukundersökningar av bäckenorganen (särskilt inom gynekologi och i studiet av prostata), organ i det retroperitoneala systemet.
Linjeskanning
Fördelar:
- ett stort synfält vid undersökning av grunda delar av kroppen;
- hög upplösning vid studiet av djupa områden av kroppen på grund av användningen av en sensor med flera element;
Applikationsområde:
— Ytstrukturer.
— kardiologi;
– Undersökning av bäckenorganen och den perirenala regionen;
- inom obstetrik.
Konvex skanning
Fördelar:
- ett litet område av kontakt med ytan på patientens kropp;
- ett stort observationsfält vid studiet av djupa områden.
Applikationsområde:
- allmänna bukundersökningar.
Trapetsavsökning
Fördelar:
- ett stort observationsfält vid undersökning nära kroppens yta och djupt belägna organ;
— Enkel identifiering av tomografiska sektioner.
Applikationsområde:
— allmänna bukundersökningar;
- obstetrisk och gynekologisk.
Förutom de allmänt accepterade klassiska skanningsmetoderna använder designen av de senaste enheterna teknologier som gör att de kan kompletteras kvalitativt.
Vektorskanningsformat
Fördelar:
— med begränsad åtkomst och skanning från det interkostala utrymmet, ger den akustiska egenskaper med en minimal sensoröppning. Vektorbildformatet ger en bredare bild i när- och fjärrfälten.
Omfattningen är densamma som för sektorskanning.
Skanna i läget för val av zoomområde
Detta är en speciell skanning av det intresseområde som valts av operatören för att förbättra det akustiska informationsinnehållet i bilden i tvådimensionellt och färgdopplerläge. Det valda området av intresse visas med full användning av akustiska och rasterlinjer. Förbättrad bildkvalitet uttrycks i optimal linje- och pixeltäthet, högre upplösning, högre bildhastighet och större bild.
Med en normal sektion behålls samma akustiska information, medan med det vanliga RES zoomområdesvalsformatet uppnås bildförstoring med ökad upplösning och mer diagnostisk information.
Visualisering Multi-Hertz
Bredbands piezoelektriska material ger moderna sensorer förmågan att fungera över ett brett frekvensområde; ger möjlighet att välja en specifik frekvens från ett brett band av frekvenser som finns tillgängliga i sensorerna samtidigt som bildens enhetlighet bibehålls. Denna teknik låter dig ändra frekvensen på sensorn med bara en knapptryckning, utan att slösa tid på att byta ut sensorn. Och detta betyder att en sensor motsvarar två eller tre särskilda egenskaper, vilket ökar värdet och den kliniska mångsidigheten hos sensorer (Acuson, Siemens).
Den nödvändiga ultraljudsinformationen i de senaste enhetsinstruktionerna kan frysas i olika lägen: B-läge, 2B-läge, 3D, B + B-läge, 4B-läge, M-läge och registreras med en skrivare på specialpapper, på en dator kassett eller videoband med datorbearbetning av information.
Ultraljudsavbildning av människokroppens organ och system förbättras ständigt, nya horisonter och möjligheter öppnas ständigt, men den korrekta tolkningen av den mottagna informationen kommer alltid att bero på forskarens kliniska utbildning.
I detta avseende minns jag ofta ett samtal med en representant för Aloca-företaget, som kom till oss för att sätta i drift den första realtidsenheten Aloca SSD 202 D (1982). Till min beundran över att Japan hade utvecklat datorstödd ultraljudsteknik, svarade han: "En dator är bra, men om en annan dator (som pekar på huvudet) inte fungerar bra, då är den datorn värdelös."
Elektrokardiografi är en metod för att studera hjärtmuskeln genom att registrera det arbetande hjärtats bioelektriska potentialer. Hjärtats sammandragning föregås av excitation av myokardiet, åtföljd av rörelse av joner genom myokardcellens skal, som ett resultat av vilket potentialskillnaden mellan skalets yttre och inre ytor förändras. Mätningar med mikroelektroder visar att potentialförändringen är cirka 100 mV. Under normala förhållanden täcks sektionerna av det mänskliga hjärtat sekventiellt av excitation, därför registreras en föränderlig potentialskillnad mellan de redan exciterade och ännu inte exciterade områdena på hjärtats yta. På grund av den elektriska ledningsförmågan hos kroppens vävnader kan dessa elektriska processer också detekteras genom att placera elektroder på kroppens yta, där förändringen i potentialskillnaden når 1-3 mV.
Elektrofysiologiska studier av hjärtat i experimentet genomfördes redan på 1800-talet, dock började metodens introduktion i medicinen efter att studierna av Einthoven 1903-1924, som använde en snabbsvars stränggalvanometer, utvecklade beteckningen av elementen i den registrerade kurvan, ett standardregistreringssystem och de viktigaste utvärderingskriterierna.
Metodens höga informationsinnehåll och relativa tekniska enkelhet, dess säkerhet och frånvaron av några olägenheter för patienten säkerställde den utbredda användningen av EKG inom medicin och fysiologi. Huvudkomponenterna i en modern elektrokardiograf är en förstärkare, en galvanometer och en inspelningsenhet. När man spelar in en föränderlig bild av fördelningen av elektriska potentialer på ett rörligt papper erhålls en kurva - ett elektrokardiogram (EKG), med skarpa och rundade tänder, som upprepas under varje systole. Tänderna betecknas vanligtvis med de latinska bokstäverna P, Q, R, S, T och U.
Den första av dem är förknippad med aktiviteten hos atrierna, de återstående tänderna - med aktiviteten i hjärtats ventriklar. Formen på tänderna i olika ledningar är olika. EKG-registrering hos olika individer uppnås genom standardregistreringsförhållanden: metoden att applicera elektroder på huden på extremiteterna och bröstkorgen (vanligtvis används 12 avledningar), bestäms av enhetens känslighet (1 mm = 0,1 mV) och hastigheten av papperet (25 eller 50 mm/sek.) . Motivet är i ryggläge, vila. Vid analys av EKG:t bedöms närvaron, storleken, formen och bredden på tänderna och intervallen mellan dem, och på grundval av detta bedömer de egenskaperna hos de elektriska processerna i hjärtat som helhet och i viss mån den elektriska aktivitet av mer begränsade områden av hjärtmuskeln.
Inom medicin har EKG högsta värde för erkännande av hjärtarytmier, såväl som för upptäckt av hjärtinfarkt och vissa andra sjukdomar. Emellertid återspeglar EKG-förändringar endast arten av brott mot elektriska processer och är inte strikt specifika för en viss sjukdom. EKG-förändringar kan uppstå inte bara som ett resultat av sjukdomen, utan också under påverkan av normal daglig aktivitet, matintag, läkemedelsbehandling och andra orsaker. Därför ställs diagnosen av läkaren inte enligt EKG, utan enligt kombinationen av kliniska och laboratoriemässiga tecken på sjukdomen. De diagnostiska möjligheterna ökar när man jämför ett antal på varandra följande tagna EKG med ett intervall på flera dagar eller veckor. Elektrokardiografen används också i hjärtmonitorer - apparater för dygnet runt automatisk övervakning av tillståndet hos svårt sjuka patienter - och för telemetrisk övervakning av tillståndet hos en arbetande person - inom klinisk, sport, rymdmedicin, vilket säkerställs av speciella metoder för applicering av elektroder och radiokommunikation mellan galvanometern och inspelningsenheten.
Hjärtats bioelektriska aktivitet kan registreras på annat sätt. Potentialskillnaden kännetecknas av ett värde och riktning som bestäms för ett givet ögonblick, det vill säga det är en vektor och kan villkorligt representeras av en pil som upptar en viss position i rymden. Denna vektors egenskaper förändras under hjärtcykeln så att dess startpunkt förblir fixerad, och den sista beskriver en komplex sluten kurva. Projicerad på ett plan har denna kurva formen av en serie slingor och kallas ett vektorkardiogram (VCG). Ungefärligt kan det plottas grafiskt utifrån EKG:t i olika avledningar. Det kan också erhållas direkt med hjälp av en speciell apparat - en vektorkardiograf, vars inspelningsanordning är ett katodstrålerör och två par elektroder placerade på patienten i motsvarande plan används för abduktion.
Genom att ändra elektrodernas position kan man få VCG i olika plan och bilda en mer komplett rumslig representation av de elektriska processernas natur. I vissa fall kompletterar vektorkardiografi elektrofysiologiska studier som en diagnostisk metod. Studiet av elektrofysiologiska grunder och den kliniska tillämpningen av elektrofysiologiska studier och vektorkardiografi, förbättring av enheter och registreringsmetoder är föremål för en speciell vetenskaplig sektion av medicin - elektrokardiologi.
Inom veterinärmedicinen används elektrokardiografi på stora och små djur för att diagnostisera förändringar i hjärtat till följd av vissa icke-smittsamma eller infektionssjukdomar. Med hjälp av elektrokardiografi hos djur bestäms hjärtarytmier, en ökning av hjärtats sektioner och andra förändringar i hjärtat. Elektrokardiografi låter dig övervaka effekten på hjärtmuskeln hos djuret som används eller testade läkemedel.
1. Sändare och mottagare av ultraljud.
2. Absorption av ultraljud i materia. Akustiska flöden och kavitation.
3. Reflektion av ultraljud. Ljudseende.
4. Biofysisk effekt av ultraljud.
5. Användningen av ultraljud i medicin: terapi, kirurgi, diagnostik.
6. Infraljud och dess källor.
7. Infraljuds inverkan på människor. Användningen av infraljud i medicin.
8. Grundläggande begrepp och formler. Tabeller.
9. Uppgifter.
Ultraljud - elastiska oscillationer och vågor med frekvenser från cirka 20x10 3 Hz (20 kHz) till 10 9 Hz (1 GHz). Frekvensområdet för ultraljud från 1 till 1000 GHz kallas hypersonisk. Ultraljudsfrekvenser är indelade i tre områden:
ULF - lågfrekvent ultraljud (20-100 kHz);
USCH - medelfrekvent ultraljud (0,1-10 MHz);
UZVCH - högfrekvent ultraljud (10-1000 MHz).
Varje serie har sina egna specifika medicinska tillämpningar.
5.1. Sändare och mottagare av ultraljud
Elektromekanisk utsändare och amerikanska mottagare använd fenomenet med den piezoelektriska effekten, vars essens förklaras i fig. 5.1.
Sådana kristallina dielektrika som kvarts, Rochelle-salt, etc. har uttalade piezoelektriska egenskaper.
Ultraljudsstrålare
Elektromekanisk ultraljudssändare använder fenomenet den omvända piezoelektriska effekten och består av följande element (fig. 5.2):
Ris. 5.1. en - direkt piezoelektrisk effekt: kompression och sträckning av den piezoelektriska plattan leder till uppkomsten av en potentialskillnad av motsvarande tecken;
b - omvänd piezoelektrisk effekt: beroende på tecknet på potentialskillnaden som appliceras på den piezoelektriska plattan, komprimeras eller sträcks den
Ris. 5.2. ultraljudssändare
1 - plattor av ett ämne med piezoelektriska egenskaper;
2 - elektroder avsatta på dess yta i form av ledande skikt;
3 - en generator som levererar en växelspänning med den erforderliga frekvensen till elektroderna.
När en växelspänning appliceras på elektroderna (2) från generatorn (3) utsätts plattan (1) för periodisk sträckning och kompression. Forcerade svängningar uppstår, vars frekvens är lika med frekvensen av spänningsändringen. Dessa vibrationer överförs till partiklarna i miljön och skapar en mekanisk våg med lämplig frekvens. Amplituden av svängningar av partiklar av mediet nära radiatorn är lika med amplituden av svängningar av plattan.
Särdragen med ultraljud inkluderar möjligheten att erhålla vågor med hög intensitet även vid relativt små svängningsamplituder, eftersom tätheten vid en given amplitud
Ris. 5.3. Fokusering av en ultraljudsstråle i vatten med en plankonkav plexiglaslins (ultraljudsfrekvens 8 MHz)
energiflödet är proportionellt mot frekvens i kvadrat(se formel 2.6). Den begränsande intensiteten av ultraljudsstrålning bestäms av egenskaperna hos materialet hos sändaren, såväl som egenskaperna hos villkoren för deras användning. Intensitetsintervallet under ultraljudsgenerering i UHF-området är extremt brett: från 10 -14 W/cm 2 till 0,1 W/cm 2 .
För många ändamål behövs mycket högre intensiteter än de som kan erhållas från sändarens yta. I dessa fall kan du använda fokus. Figur 5.3 visar fokuseringen av ultraljud med en plexiglaslins. För att få väldigt stor Intensiteter av ultraljud använder mer komplexa metoder för fokusering. Så, i fokus för en paraboloid, vars innerväggar är gjorda av en mosaik av kvartsplattor eller bariumtitanit piezokeramik, med en frekvens på 0,5 MHz, är det möjligt att erhålla ultraljudsintensiteter på upp till 10 5 W/cm 2 i vatten.
Ultraljudsmottagare
Elektromekanisk amerikanska mottagare(Fig. 5.4) använd fenomenet den direkta piezoelektriska effekten. I detta fall, under inverkan av en ultraljudsvåg, uppstår svängningar av kristallplattan (1),
Ris. 5.4. Ultraljudsmottagare
som ett resultat av vilket en växelspänning uppträder på elektroderna (2), som är fixerad av registreringssystemet (3).
I de flesta medicinska apparater används generatorn av ultraljudsvågor samtidigt som deras mottagare.
5.2. Absorption av ultraljud i materia. Akustiska strömmar och kavitation
Enligt den fysiska essensen skiljer sig ultraljud inte från ljud och är en mekanisk våg. När det fortplantar sig bildas alternerande områden av kondensation och sällsynthet av partiklar av mediet. Utbredningshastigheterna för ultraljud och ljud i media är desamma (i luft ~ 340 m/s, i vatten och mjuka vävnader ~ 1500 m/s). Den höga intensiteten och korta längden hos ultraljudsvågor ger emellertid upphov till ett antal specifika egenskaper.
När ultraljud fortplantar sig i ett ämne sker en irreversibel övergång av en ljudvågs energi till andra typer av energi, främst till värme. Detta fenomen kallas ljudabsorption. Minskningen av amplituden av partikeloscillationer och intensiteten av US på grund av absorption är exponentiell:
där A, A 0 är amplituderna för oscillationerna för partiklarna i mediet nära ytan av ämnet och på ett djup h; I, I 0 - motsvarande intensitet hos ultraljudsvågen; α- absorptionskoefficient, beroende på ultraljudsvågens frekvens, temperatur och mediets egenskaper.
Absorptionskoefficient - det reciproka avståndet vid vilket ljudvågens amplitud faller med en faktor "e".
Ju högre absorptionskoefficient, desto starkare absorberar mediet ultraljud.
Absorptionskoefficienten (α) ökar med ökande ultraljudsfrekvens. Därför är dämpningen av ultraljud i mediet många gånger högre än dämpningen av ett hörbart ljud.
Tillsammans med absorptionskoefficient, och används som egenskaper för ultraljudsabsorption. halvt absorptionsdjup(H), vilket är relaterat till det genom ett omvänt förhållande (H = 0,347/α).
Djup av halvabsorption(H) är det djup vid vilket ultraljudsvågens intensitet halveras.
Värdena för absorptionskoefficienten och djupet av halvabsorption i olika vävnader presenteras i tabellen. 5.1.
I gaser och i synnerhet i luft utbreder sig ultraljud med stor dämpning. Vätskor och fasta ämnen (särskilt enkristaller) är som regel bra ledare av ultraljud, och dämpningen i dem är mycket mindre. Så, till exempel, i vatten är dämpningen av ultraljudsvågor, allt annat lika, ungefär 1000 gånger mindre än i luft. Därför är användningsområdena för UHF och UHF nästan uteslutande för vätskor och fasta ämnen, och endast ULF används i luft och gaser.
Värmeavgivning och kemiska reaktioner
Absorptionen av ultraljud av ett ämne åtföljs av överföringen av mekanisk energi till ämnets inre energi, vilket leder till dess uppvärmning. Den mest intensiva uppvärmningen sker i områden som gränsar till gränssnitten mellan media, när reflektionskoefficienten är nära enhet (100%). Detta beror på det faktum att, som ett resultat av reflektion, ökar intensiteten hos vågen nära gränsen och följaktligen ökar mängden absorberad energi. Detta kan verifieras experimentellt. Det är nödvändigt att fästa en ultraljudssändare på en våt hand. Snart uppstår en känsla (liknande smärta från en brännskada) på den motsatta sidan av handflatan, orsakad av ultraljud som reflekteras från hud-luft-gränsytan.
Vävnader med en komplex struktur (lungor) är känsligare för ultraljudsuppvärmning än homogena vävnader (lever). Relativt mycket värme frigörs vid gränsen mellan mjuka vävnader och ben.
Lokal uppvärmning av vävnader med bråkdelar av grader bidrar till den vitala aktiviteten hos biologiska föremål, ökar intensiteten av metaboliska processer. Långvarig exponering kan dock orsaka överhettning.
I vissa fall används fokuserat ultraljud för lokala effekter på individuella kroppsstrukturer. Denna effekt gör att du kan uppnå kontrollerad hypertermi, d.v.s. uppvärmning till 41-44 °C utan överhettning av närliggande vävnader.
En ökning av temperaturen och stora tryckfall som åtföljer passagen av ultraljud kan leda till bildandet av joner och radikaler som kan interagera med molekyler. I detta fall kan sådana kemiska reaktioner inträffa som inte är genomförbara under normala förhållanden. Den kemiska effekten av ultraljud manifesteras i synnerhet i uppdelningen av en vattenmolekyl i H+- och OH-radikaler, följt av bildningen av väteperoxid H 2 O 2 .
Akustiska strömmar och kavitation
Ultraljudsvågor med hög intensitet åtföljs av ett antal specifika effekter. Så utbredningen av ultraljudsvågor i gaser och vätskor åtföljs av mediets rörelse, vilket kallas akustiskt flöde (Fig. 5.5, a). Vid frekvenser inom UHF-området i ett ultraljudsfält med en intensitet på flera W/cm 2 kan vätskesprutning uppstå (fig. 5.5, b) och spraya det för att bilda en mycket fin dimma. Denna egenskap hos ultraljudsförökning används i ultraljudsinhalatorer.
Bland de viktiga fenomen som uppstår under spridningen av intensivt ultraljud i vätskor är akustisk kavitation - tillväxt i ultraljudsfältet av bubblor från det tillgängliga
Ris. 5.5. a) akustiskt flöde som härrör från utbredningen av ultraljud med en frekvens på 5 MHz i bensen; b) en vätskefontän som bildas när en ultraljudsstråle faller inifrån vätskan på dess yta (ultraljudsfrekvens 1,5 MHz, intensitet 15 W/cm 2)
submikroskopiska kärnor av gas eller ånga i vätskor upp till bråkdelar av en mm i storlek, som börjar pulsera med en ultraljudsfrekvens och kollapsar i en positiv tryckfas. När gasbubblor kollapsar, stora lokala tryck av ordningen tusen atmosfärer, sfärisk chockvågor. En sådan intensiv mekanisk verkan på partiklarna i vätskan kan leda till olika effekter, inklusive destruktiva, även utan påverkan av den termiska effekten av ultraljud. Mekaniska effekter är särskilt betydande under inverkan av fokuserat ultraljud.
En annan konsekvens av kollapsen av kavitationsbubblor är en kraftig uppvärmning av deras innehåll (upp till en temperatur på cirka 10 000 °C), åtföljd av jonisering och dissociation av molekyler.
Fenomenet kavitation åtföljs av erosion av sändarens arbetsytor, cellskador etc. Men detta fenomen leder också till ett antal positiva effekter. Så, till exempel, inom kavitationsområdet, sker en förbättrad blandning av ämnet, som används för att framställa emulsioner.
5.3. reflektion av ultraljud. sund syn
Som med alla typer av vågor är fenomenen reflektion och brytning inneboende i ultraljud. Dessa fenomen är dock märkbara endast när dimensionerna av inhomogeniteterna är jämförbara med våglängden. Längden på ultraljudsvågen är betydligt mindre än längden på ljudvågen (λ = v/v). Så, längderna av ljud och ultraljudsvågor i mjuka vävnader vid frekvenser på 1 kHz respektive 1 MHz är lika: λ = 1500/1000 = 1,5 m;
1500/1 000 000 = 1,5x10 -3 m = 1,5 mm. I enlighet med ovanstående reflekterar en kropp 10 cm i storlek praktiskt taget inte ljud med en våglängd på λ = 1,5 m, utan är en reflektor för en ultraljudsvåg med λ = 1,5 mm.
Reflexionseffektiviteten bestäms inte bara av geometriska samband, utan också av reflektionskoefficienten r, som beror på förhållandet vågimpedans x(se formlerna 3.8, 3.9):
För värden på x nära 0 är reflektionen nästan komplett. Detta är ett hinder för övergången av ultraljud från luften till mjuka vävnader (x = 3x10 -4, r= 99,88 %). Om ultraljudssändaren appliceras direkt på den mänskliga huden, kommer ultraljudet inte att tränga in i det, utan kommer att reflekteras från ett tunt lager av luft mellan sändaren och huden. I det här fallet små värden X spela en negativ roll. För att eliminera luftlagret täcks hudens yta med ett lager av ett lämpligt smörjmedel (vattengelé), som fungerar som ett övergångsmedium som minskar reflektion. Tvärtom, för att upptäcka inhomogeniteter i medelstora, små värden Xär en positiv faktor.
Värdena för reflektionskoefficienten vid gränserna för olika vävnader ges i tabell. 5.2.
Intensiteten hos den mottagna reflekterade signalen beror inte bara på storleken på reflektionskoefficienten, utan också på graden av absorption av ultraljud av mediet i vilket den utbreder sig. Absorptionen av en ultraljudsvåg leder till att ekosignalen som reflekteras från en struktur belägen i djupet är mycket svagare än den som bildas vid reflektion från en liknande struktur belägen nära ytan.
Baserat på reflektion av ultraljudsvågor från inhomogeniteter ljudsyn, används vid medicinska ultraljudsundersökningar (ultraljud). I detta fall omvandlas ultraljud som reflekteras från inhomogeniteter (individuella organ, tumörer) till elektriska vibrationer, och det senare till ljusvibrationer, vilket gör det möjligt att se vissa föremål på skärmen i ett medium ogenomskinligt för ljus. Figur 5.6 visar en bild
Ris. 5.6. 5 MHz ultraljudsbild av ett 17 veckor gammalt mänskligt foster
mänskligt foster i åldern 17 veckor, erhållet med ultraljud.
Ett ultraljudsmikroskop har skapats vid frekvenser i ultraljudsområdet - en enhet som liknar ett konventionellt mikroskop, vars fördel framför ett optiskt är att biologiska studier inte kräver preliminär färgning av föremålet. Figur 5.7 visar fotografier av röda blodkroppar tagna med optiska och ultraljudsmikroskop.
Ris. 5.7. Fotografier av röda blodkroppar erhållna med optiska (a) och ultraljud (b) mikroskop
Med en ökning av frekvensen av ultraljudsvågor ökar upplösningen (mindre inhomogeniteter kan detekteras), men deras penetrerande kraft minskar, d.v.s. djupet på vilket strukturer av intresse kan utforskas minskar. Därför väljs ultraljudsfrekvensen så att den kombinerar tillräcklig upplösning med det erforderliga undersökningsdjupet. Så, för en ultraljudsstudie av sköldkörteln, som ligger direkt under huden, används 7,5 MHz-vågor, och för studien av bukorganen används en frekvens på 3,5-5,5 MHz. Dessutom tas även hänsyn till fettlagrets tjocklek: för smala barn används en frekvens på 5,5 MHz och för överviktiga barn och vuxna en frekvens på 3,5 MHz.
5.4. Biofysisk effekt av ultraljud
Under inverkan av ultraljud på biologiska föremål i bestrålade organ och vävnader på avstånd lika med halva våglängden kan tryckskillnader från enheter till tiotals atmosfärer uppstå. Sådana intensiva effekter leder till olika biologiska effekter, vars fysiska natur bestäms av den kombinerade verkan av mekaniska, termiska och fysikaliskkemiska fenomen som åtföljer utbredningen av ultraljud i mediet.
Den allmänna effekten av ultraljud på vävnader och kroppen som helhet
Den biologiska effekten av ultraljud, d.v.s. förändringar som orsakas av biologiska objekts vitala aktivitet och strukturer när de utsätts för ultraljud bestäms huvudsakligen av dess intensitet och varaktighet av bestrålningen och kan ha både positiva och negativa effekter på organismers vitala aktivitet. Således ger mekaniska vibrationer av partiklar som sker vid relativt låga ultraljudsintensiteter (upp till 1,5 W/cm 2 ) en sorts mikromassage av vävnader, vilket bidrar till bättre ämnesomsättning och bättre tillförsel av vävnader med blod och lymf. Lokal uppvärmning av vävnader med fraktioner och enheter av grader bidrar som regel till den vitala aktiviteten hos biologiska föremål, vilket ökar intensiteten av metaboliska processer. ultraljudsvågor små och mitten intensiteter orsakar positiva biologiska effekter i levande vävnader, vilket stimulerar flödet av normala fysiologiska processer.
Den framgångsrika användningen av ultraljud av de angivna intensiteterna finner tillämpning inom neurologi vid rehabilitering av sådana sjukdomar som kronisk ischias, polyartrit, neurit och neuralgi. Ultraljud används vid behandling av sjukdomar i ryggraden, lederna (förstörelse av saltavlagringar i leder och håligheter); vid behandling av olika komplikationer efter skador på leder, ligament, senor m.m.
Ultraljud med hög intensitet (3-10 W / cm 2) har en skadlig effekt på enskilda organ och människokroppen som helhet. Högintensivt ultraljud kan orsaka
i biologiska miljöer akustisk kavitation, åtföljd av mekanisk förstörelse av celler och vävnader. Långvarig intensiv exponering för ultraljud kan leda till överhettning av biologiska strukturer och till deras förstörelse (proteindenaturering, etc.). Exponering för intensivt ultraljud kan få långsiktiga konsekvenser. Till exempel, med långvarig exponering för ultraljud med en frekvens på 20-30 kHz, som förekommer under vissa produktionsförhållanden, utvecklar en person störningar nervsystem, tröttheten ökar, temperaturen stiger avsevärt, hörselnedsättning uppstår.
Ett mycket intensivt ultraljud är dödligt för en person. Så i Spanien exponerades 80 frivilliga för turbulenta ultraljudsmotorer. Resultaten av detta barbariska experiment var bedrövliga: 28 personer dog, resten var helt eller delvis förlamade.
Den termiska effekten som produceras av högintensivt ultraljud kan vara mycket betydande: med ultraljudsstrålning med en effekt på 4 W / cm 2 i 20 s stiger temperaturen på kroppsvävnaderna på ett djup av 2-5 cm med 5-6 ° C .
För att förhindra yrkessjukdomar hos personer som arbetar vid ultraljudsinstallationer, när kontakt med källor till ultraljudsvibrationer är möjlig, är det nödvändigt att använda 2 par handskar för att skydda händerna: yttre gummi och inre - bomull.
Verkan av ultraljud på cellnivå
Sekundära fysikaliska och kemiska effekter kan också ligga bakom den biologiska effekten av US. Under bildandet av akustiska strömmar kan således blandning av intracellulära strukturer ske. Kavitation leder till att molekylära bindningar bryts i biopolymerer och andra vitala föreningar och till utveckling av redoxreaktioner. Ultraljud ökar permeabiliteten av biologiska membran, vilket resulterar i en acceleration av metaboliska processer på grund av diffusion. En förändring i flödet av olika ämnen genom det cytoplasmatiska membranet leder till en förändring i sammansättningen av den intracellulära miljön och cellens mikromiljö. Detta påverkar hastigheten för biokemiska reaktioner som involverar enzymer som är känsliga för innehållet av vissa ämnen i mediet.
andra joner. I vissa fall kan en förändring av mediets sammansättning inuti cellen leda till en acceleration av enzymatiska reaktioner, vilket observeras när celler utsätts för lågintensivt ultraljud.
Många intracellulära enzymer aktiveras av kaliumjoner. Därför, med en ökning av intensiteten av ultraljud, blir effekten av att undertrycka enzymatiska reaktioner i cellen mer sannolikt, eftersom koncentrationen av kaliumjoner i det intracellulära mediet minskar som ett resultat av depolarisering av cellmembran.
Effekten av ultraljud på celler kan åtföljas av följande fenomen:
Brott mot mikromiljön av cellmembran i form av en förändring i koncentrationsgradienterna för olika ämnen nära membranen, en förändring av mediets viskositet inuti och utanför cellen;
Förändringar i cellmembranens permeabilitet i form av acceleration av normal och underlättad diffusion, förändringar i effektivitet aktiv transport, brott mot strukturen av membran;
Brott mot sammansättningen av den intracellulära miljön i form av en förändring i koncentrationen av olika ämnen i cellen, en förändring i viskositeten;
Förändringar i hastigheten för enzymatiska reaktioner i cellen på grund av förändringar i de optimala koncentrationerna av ämnen som är nödvändiga för enzymernas funktion.
En förändring av permeabiliteten hos cellmembran är ett universellt svar på ultraljudsexponering, oavsett vilken av de ultraljudsfaktorer som verkar på cellen som dominerar i ett eller annat fall.
Vid en tillräckligt hög intensitet av ultraljud förstörs membranen. Olika celler har dock olika motstånd: vissa celler förstörs med en intensitet av 0,1 W/cm 2 , andra vid 25 W/cm 2 .
I ett visst intervall av intensiteter är de observerade biologiska effekterna av ultraljud reversibla. Den övre gränsen för detta intervall 0,1 W/cm 2 vid en frekvens av 0,8-2 MHz tas som ett tröskelvärde. Att överskrida denna gräns leder till uttalade destruktiva förändringar i celler.
Destruktion av mikroorganismer
Ultraljudsstrålning med en intensitet som överstiger kavitationströskeln används för att förstöra bakterier och virus som finns i vätskan.
5.5. Användningen av ultraljud i medicin: terapi, kirurgi, diagnostik
Deformationer under påverkan av ultraljud används vid slipning eller dispergering av media.
Fenomenet kavitation används för att erhålla emulsioner av oblandbara vätskor, för att rengöra metaller från glödskal och fettfilmer.
ultraljudsterapi
Den terapeutiska effekten av ultraljud beror på mekaniska, termiska, kemiska faktorer. Deras gemensamma verkan förbättrar membranens permeabilitet, vidgar blodkärlen, förbättrar ämnesomsättningen, vilket hjälper till att återställa kroppens jämviktstillstånd. En doserad ultraljudsstråle kan användas för att försiktigt massera hjärtat, lungorna och andra organ och vävnader.
Inom otolaryngologi påverkar ultraljud trumhinnan, nässlemhinnan. På detta sätt utförs rehabilitering av kronisk rinit, sjukdomar i maxillarhålorna.
FONOFORES - införandet av läkemedel i vävnader genom hudens porer med hjälp av ultraljud. Denna metod liknar elektrofores, men till skillnad från det elektriska fältet rör ultraljudsfältet inte bara joner utan också oladdad partiklar. Under inverkan av ultraljud ökar permeabiliteten av cellmembran, vilket bidrar till penetration av läkemedel in i cellen, medan elektrofores medicinska substanser koncentrerad huvudsakligen mellan celler.
AUTOHEMOTERAPI - intramuskulär injektion av en persons eget blod taget från en ven. Denna procedur är mer effektiv om blodet som tas bestrålas med ultraljud före infusion.
Ultraljudsstrålning ökar cellens känslighet för exponering kemiska substanser. Detta gör att du kan skapa mindre skadliga
vacciner, eftersom lägre koncentrationer av kemikalier kan användas vid tillverkningen av dem.
Preliminär exponering för ultraljud förstärker effekten av γ- och mikrovågsstrålning på tumörer.
Inom läkemedelsindustrin används ultraljud för att framställa emulsioner och aerosoler av vissa läkemedelssubstanser.
I fysioterapi används ultraljud för lokal exponering, utförd med hjälp av en lämplig sändare, kontakt applicerad genom en salvbas till ett visst område av kroppen.
ultraljudsoperation
Ultraljudskirurgi är uppdelad i två varianter, varav en är förknippad med effekten av ljudvibrationer på vävnader, den andra - med påförande av ultraljudsvibrationer på ett kirurgiskt instrument.
Förstörelse av tumörer. Flera sändare monterade på patientens kropp avger ultraljudsstrålar som fokuserar på tumören. Intensiteten hos varje stråle är otillräcklig för att skada frisk vävnad, men på den plats där strålarna konvergerar ökar intensiteten och tumören förstörs av kavitation och värme.
I urologi, med hjälp av den mekaniska verkan av ultraljud, krossas stenar i urinvägarna och detta räddar patienter från operationer.
Svetsning av mjukvävnad. Om du sätter två skurna blodkärl tillsammans och trycker dem mot varandra, så bildas en svets efter bestrålning.
Svetsning av benen(ultraljud osteosyntes). Frakturområdet är fyllt med krossad benvävnad blandad med en flytande polymer (cyakrin), som snabbt polymeriserar under inverkan av ultraljud. Efter bestrålning bildas en stark svets som gradvis löses upp och ersätts av benvävnad.
Superposition av ultraljudsvibrationer på kirurgiska instrument(skalpeller, filar, nålar) minskar skärkrafterna avsevärt, minskar smärta, har en hemostatisk och steriliserande effekt. Svängningsamplituden för skärverktyget vid en frekvens av 20-50 kHz är 10-50 mikron. Ultraljudsskalpeller tillåter operationer i andningsorganen utan att öppna bröstet,
operationer i matstrupen och på blodkärl. Genom att föra in en lång och tunn ultraljudsskalpell i en ven är det möjligt att förstöra kolesterolförtjockningarna i kärlet.
Sterilisering. Den destruktiva effekten av ultraljud på mikroorganismer används för att sterilisera kirurgiska instrument.
I vissa fall används ultraljud i kombination med annan fysisk påverkan, till exempel med kryogen, vid kirurgisk behandling av hemangiom och ärr.
ultraljudsdiagnostik
Ultraljudsdiagnostik är en uppsättning metoder för att studera en frisk och sjuk människokropp baserad på användningen av ultraljud. Den fysiska grunden för ultraljudsdiagnostik är beroendet av ljudutbredningsparametrar i biologiska vävnader (ljudhastighet, dämpningskoefficient, vågmotstånd) på typen av vävnad och dess tillstånd. Ultraljudsmetoder möjliggör visualisering inre strukturer organism, samt att studera rörelsen av biologiska föremål inuti organismen. Huvuddraget i ultraljudsdiagnostik är förmågan att få information om mjuka vävnader som skiljer sig något i densitet eller elasticitet. Ultraljudsundersökningsmetoden är mycket känslig, kan användas för att upptäcka formationer som inte upptäcks med röntgen, kräver inte användning av kontrastmedel, är smärtfri och har inga kontraindikationer.
För diagnostiska ändamål används en ultraljudsfrekvens på 0,8 till 15 MHz. Låga frekvenser används i studien av djupt liggande föremål eller i en studie genomförd genom benvävnad, höga frekvenser används för att visualisera föremål nära kroppsytan, för diagnostik inom oftalmologi och vid studiet av ytligt placerade kärl.
De mest använda inom ultraljudsdiagnostik är ekolokaliseringsmetoder baserade på reflektion eller spridning av pulsade ultraljudssignaler. Beroende på metoden för att erhålla och typen av presentation av information, är enheter för ultraljudsdiagnostik indelade i 3 grupper: endimensionella enheter med typ A-indikation; endimensionella instrument med typ M-indikation; tvådimensionella instrument med typ B-indikation.
Vid ultraljudsdiagnostik med en typ A-enhet appliceras en sändare som avger korta (cirka 10 -6 s) ultraljudspulser till det område av kroppen som undersöks genom en kontaktsubstans. I pauserna mellan pulserna tar enheten emot pulser som reflekteras från olika inhomogeniteter i vävnaderna. Efter förstärkning observeras dessa pulser på katodstrålerörets skärm i form av strålavvikelser från den horisontella linjen. Det fullständiga mönstret av reflekterade pulser kallas endimensionell ekogram typ A. Figur 5.8 visar ett ekogram erhållet från ekoskopi av ögat.
Ris. 5.8. Ekoskopi av ögat med A-metod:
1 - ekosignal från den främre ytan av hornhinnan; 2, 3 - ekosignaler från linsens främre och bakre yta; 4 - ekosignal från näthinnan och strukturer i ögonglobens bakre pol
Ekogram av vävnader av olika typer skiljer sig från varandra i antalet pulser och deras amplitud. Analys av typ A-ekogram ger i många fall ytterligare information om det patologiska områdets tillstånd, djup och omfattning.
Endimensionella enheter med typ A-indikation används inom neurologi, neurokirurgi, onkologi, obstetrik, oftalmologi och andra medicinska områden.
I anordningar med typ M-indikation matas de reflekterade pulserna efter förstärkning till katodstrålerörets modulerande elektrod och representeras som streck, vars ljusstyrka är relaterad till pulsamplituden och bredden till dess varaktighet. Utvecklingen av dessa streck i tiden ger en bild av individuella reflekterande strukturer. Denna typ av indikation används ofta inom kardiografi. Ett ultraljudskardiogram kan spelas in med hjälp av ett katodstrålerör med minne eller på en pappersbandspelare. Denna metod registrerar rörelserna av hjärtats element, vilket gör det möjligt att bestämma mitralisklaffstenos, medfödda hjärtfel etc.
Vid användning av registreringsmetoder typ A och M är givaren i ett fast läge på patientens kropp.
I fallet med indikation av typ B rör sig (avsöker) givaren längs kroppens yta och ett tvådimensionellt ekogram registreras på katodstrålerörets skärm, vilket återger tvärsnittet av kroppsområdet som studeras.
En variant av metod B är multiscan, där sensorns mekaniska rörelse ersätts av sekventiell elektrisk omkoppling av ett antal element placerade på samma linje. Multiskanning gör det möjligt att observera de studerade avsnitten nästan i realtid. En annan version av metod B är sektorskanning, där det inte sker någon rörelse av ekosonden, utan ultraljudsstrålens införandevinkel ändras.
Ultraljudsapparater med typ B-indikation används inom onkologi, obstetrik och gynekologi, urologi, otolaryngologi, oftalmologi etc. Modifieringar av typ B-apparater med multiscanning och sektorskanning används inom kardiologi.
Alla ekolokaliseringsmetoder för ultraljudsdiagnostik tillåter på ett eller annat sätt att registrera gränserna för regioner med olika vågimpedanser inuti kroppen.
En ny metod för ultraljudsdiagnostik - rekonstruktiv (eller beräknings-) tomografi - ger en rumslig fördelning av ljudutbredningsparametrar: dämpningskoefficient (attenueringsmodifiering av metoden) eller ljudhastighet (brytningsmodifiering). I denna metod ljuder den undersökta delen av föremålet upprepade gånger i olika riktningar. Information om ljudkoordinater och svarssignaler bearbetas på en dator, vilket resulterar i att ett rekonstruerat tomogram visas på displayen.
Nyligen har en metod introducerats elastometri för studier av levervävnader både under normala förhållanden och i olika stadier av mikros. Kärnan i metoden är som följer. Sensorn installeras vinkelrätt mot kroppens yta. Med hjälp av en vibrator inbyggd i sensorn skapas en lågfrekvent ljudmekanisk våg (ν = 50 Hz, A = 1 mm), vars utbredningshastighet över de underliggande levervävnaderna uppskattas med hjälp av ultraljud med en frekvens på ν = 3,5 MHz (i själva verket utförs ekolokalisering ). Använder sig av
vävnadens modul E (elasticitet). För patienten utförs en serie mätningar (minst 10) i de interkostala utrymmena i projektionen av leverns position. Analysen av alla data sker automatiskt, enheten ger en kvantitativ bedömning av elasticitet (densitet), som presenteras både i numerisk och färgform.
För att få information om kroppens rörliga strukturer används metoder och anordningar, vars arbete är baserat på Dopplereffekten. Sådana anordningar innehåller vanligtvis två piezoelektriska element: en ultraljudssändare som arbetar i ett kontinuerligt läge och en mottagare av reflekterade signaler. Genom att mäta dopplerförskjutningen i frekvensen för en ultraljudsvåg som reflekteras från ett rörligt föremål (till exempel från kärlväggen), bestäms rörelsehastigheten för det reflekterande föremålet (se formel 2.9). De mest avancerade enheterna av denna typ använder puls-Doppler (koherent) metod för lokalisering, vilket gör det möjligt att isolera en signal från en viss punkt i rymden.
Enheter som använder Doppler-effekten används för att diagnostisera sjukdomar i det kardiovaskulära systemet (definition
rörelse av delar av hjärtat och blodkärlsväggar), i obstetrik (studie av fostrets hjärtslag), för att studera blodflödet, etc.
Organen undersöks genom matstrupen, som de gränsar till.
Jämförelse av ultraljud och röntgen "överföringar"
I vissa fall har ultraljudsgenomlysning en fördel jämfört med röntgen. Detta beror på det faktum att Röntgenstrålar ge en tydlig bild av "hårda" vävnader mot bakgrund av "mjuka". Så till exempel är ben tydligt synliga mot bakgrund av mjuka vävnader. För att få en röntgenbild av mjuka vävnader mot bakgrund av andra mjukdelar (till exempel ett blodkärl mot bakgrund av muskler) måste kärlet fyllas med ett ämne som absorberar röntgenstrålar väl (kontrastmedel). Ultraljudsgenomlysning, på grund av de funktioner som redan angetts, ger i detta fall en bild utan användning av kontrastmedel.
Med röntgenundersökning differentieras densitetsskillnaden upp till 10%, med ultraljud - upp till 1%.
5.6. Infraljud och dess källor
infraljud- Elastiska svängningar och vågor med frekvenser som ligger under det frekvensområde som är hörbart för människor. Vanligtvis tas 16-20 Hz som den övre gränsen för infraljudsområdet. En sådan definition är godtycklig, eftersom med tillräcklig intensitet uppträder hörseluppfattning också vid frekvenser på några Hz, även om i detta fall förnimmelsens tonala karaktär försvinner och endast individuella svängningscykler blir urskiljbara. Den nedre frekvensgränsen för infraljud är osäker; för närvarande sträcker sig dess studieområde ner till cirka 0,001 Hz.
Infraljudsvågor utbreder sig i luft- och vattenmiljöer, samt i jordskorpan (seismiska vågor). Den huvudsakliga egenskapen hos infraljud, på grund av dess låga frekvens, är låg absorption. Vid fortplantning i djuphavet och i atmosfären på marknivå dämpas infraljudsvågor med en frekvens på 10-20 Hz på ett avstånd av 1000 km med högst några decibel. Det är känt att låter
vulkanutbrott och atomexplosioner kan upprepade gånger gå runt jorden. På grund av den stora våglängden förekommer liten spridning av infraljud. I naturliga miljöer skapas märkbar spridning endast av mycket stora föremål - kullar, berg, höga byggnader.
Naturliga källor till infraljud är meteorologiska, seismiska och vulkaniska fenomen. Infraljud genereras av turbulenta atmosfäriska och oceaniska tryckfluktuationer, vind, havsvågor (inklusive flodvågor), vattenfall, jordbävningar och jordskred.
Källorna till infraljud som är förknippade med mänsklig aktivitet är explosioner, skott, stötvågor från överljudsflygplan, stötar från pålförare, jetmotorer etc. Infraljud finns i bullret från motorer och processutrustning. Byggnadsvibrationer som genereras av industri- och hushållsimpulsgivare innehåller som regel infraljudskomponenter. Transportbuller ger ett betydande bidrag till infraljudsföroreningar. Till exempel skapar bilar med en hastighet av 100 km/h infraljud med en intensitetsnivå på upp till 100 dB. I motorrummet på stora fartyg registrerades infraljudsvibrationer, skapade av drivande motorer, med en frekvens på 7-13 Hz och en intensitetsnivå på 115 dB. På de övre våningarna i höghus, särskilt i starka vindar, når nivån av infraljudsintensitet
Infraljud är nästan omöjligt att isolera - vid låga frekvenser förlorar alla ljudabsorberande material nästan helt sin effektivitet.
5.7. Infraljuds inverkan på människor. Användningen av infraljud i medicin
Som regel har infraljud en negativ effekt på en person: det orsakar ett deprimerat humör, trötthet, huvudvärk, irritation. En person som utsätts för lågintensivt infraljud utvecklar symtom på "sjösjuka", illamående, yrsel. Det finns huvudvärk, tröttheten ökar, hörseln försvagas. Vid en frekvens på 2-5 Hz
och en intensitetsnivå på 100-125 dB reduceras den subjektiva reaktionen till en känsla av tryck i örat, svårigheter att svälja, påtvingad modulering av rösten och svårighet att tala. Effekten av infraljud påverkar synen negativt: synfunktionerna försämras, synskärpan minskar, synfältet smalnar av, ackommodationsförmågan försvagas och stabiliteten för att fixera det observerade föremålet med ögat störs.
Brus vid en frekvens på 2-15 Hz vid en intensitetsnivå på 100 dB leder till en ökning av spårningsfelet för pilindikatorerna. Det finns en konvulsiv ryckning i ögongloben, en kränkning av balansorganens funktion.
Piloter och kosmonauter som utsatts för infraljud under träning var långsammare med att lösa även enkla räkneproblem.
Det finns ett antagande att olika anomalier i människors tillstånd i dåligt väder, förklarade av klimatförhållanden, faktiskt är resultatet av exponering för infraljudsvågor.
Vid medelhög intensitet (140-155 dB) kan svimning och tillfällig synförlust inträffa. Vid höga intensiteter (ca 180 dB) kan förlamning uppstå med dödlig utgång.
Det antas att den negativa effekten av infraljud beror på det faktum att frekvenserna av naturliga svängningar i vissa organ och delar av människokroppen ligger i infraljudsregionen. Detta orsakar oönskade resonansfenomen. Vi indikerar några frekvenser av naturliga svängningar för en person:
Människokroppen i liggande position - (3-4) Hz;
Bröst - (5-8) Hz;
Bukhåla - (3-4) Hz;
Ögon - (12-27) Hz.
Effekten av infraljud på hjärtat är särskilt skadlig. Med tillräcklig kraft uppstår forcerade svängningar av hjärtmuskeln. Vid resonans (6-7 Hz) ökar deras amplitud, vilket kan leda till blödning.
Användningen av infraljud i medicin
På senare år har infraljud blivit allmänt använt i medicinsk praxis. Så, inom oftalmologi, infraljudsvågor
med frekvenser upp till 12 Hz används vid behandling av närsynthet. Vid behandling av ögonlockssjukdomar används infraljud för fonofores (fig. 5.9), samt för rengöring av sårytor, för att förbättra hemodynamiken och regenerering i ögonlocken, massage (fig. 5.10) etc.
Figur 5.9 visar användningen av infraljud för att behandla en anomali i utvecklingen av tårkanalerna hos nyfödda.
I ett av behandlingsstadierna masseras tårsäcken. I det här fallet skapar infraljudsgeneratorn övertryck i tårsäcken, vilket bidrar till att den embryonala vävnaden i tårkanalen brister.
Ris. 5.9. Schema för infraljud fonofores
Ris. 5.10. Tårtsäcksmassage
5.8. Grundläggande begrepp och formler. tabeller
Tabell 5.1. Absorptionskoefficient och halvabsorptionsdjup vid en frekvens av 1 MHz
Tabell 5.2. Reflektionskoefficient vid gränserna för olika vävnader
5.9. Uppgifter
1. Reflexionen av vågor från små inhomogeniteter blir märkbar när deras dimensioner överstiger våglängden. Uppskatta den minsta storleken d på en njursten som kan detekteras med ultraljudsdiagnostik vid en frekvens av ν = 5 MHz. Hastigheten för ultraljudsvågor v= 1500 m/s.
Lösning
Låt oss hitta våglängden: λ \u003d v / ν \u003d 1500 / (5 * 10 6) \u003d 0,0003 m \u003d 0,3 mm. d > λ.
Svar: d > 0,3 mm.
2. I vissa fysioterapeutiska procedurer används ultraljudsfrekvens ν = 800 kHz och intensitet I = 1 W/cm 2. Hitta vibrationsamplituden för mjukvävnadsmolekyler.
Lösning
Intensiteten hos mekaniska vågor bestäms av formel (2.6)
Densitet av mjuka vävnader ρ « 1000 kg/m 3 .
cirkulär frekvens ω \u003d 2πν ≈ 2x3,14x800x10 3 ≈ 5x10 6 s -1;
ultraljudshastighet i mjukvävnad ν ≈ 1500 m/s.
Det är nödvändigt att konvertera intensiteten till SI: I \u003d 1 W / cm 2 \u003d 10 4 W / m 2.
Genom att ersätta de numeriska värdena i den sista formeln finner vi:
En sådan liten förskjutning av molekyler under passagen av ultraljud indikerar att dess verkan manifesteras på cellnivå. Svar: A = 0,023 µm.
3. Ståldelar kontrolleras för kvalitet med en ultraljudsfeldetektor. På vilket djup h i delen upptäcktes en spricka och vad är tjockleken d på delen om två reflekterade signaler togs emot efter emissionen av en ultraljudssignal efter 0,1 ms och 0,2 ms? Utbredningshastigheten för en ultraljudsvåg i stål är lika med v= 5200 m/s.
Lösning
2h = tv →h = tv/2. Svar: h = 26 cm; d = 52 cm.
