4.3. Аппараты для уз терапии
Основными техническими характеристиками УЗ терапевтических аппаратов являются:
частота ультразвуковых колебаний 800 – 3000 кГц, а основная 880 кГц;
мощность излучения (maх) – 8 – 20 Вт, при интенсивности 0,05 – 1,5 Вт/см2;
непрерывный и импульсный режим работы при длительности импульсов 2; 4; 10 мс (или безступенчато) и частоте повторения 50 Гц.
В общем виде структурная схема аппаратов имеет следующий вид (рис. 27)
Пьезопреобразователь (рис. 28) состоит из металлического корпуса 2, на основании 1 которого расположена пластинка из титаната бария, которая удерживается держателем 4 и пружиной 7. Питание осуществляется проводом 5, соединенным со втулкой 6. Вторым электродом служит корпус головки, к которому присоединяется экранирующая оплетка питающего провода.
Максимальная амплитуда колебаний пластинки и интенсивность УЗ волны будут обеспечиваться при совмещении собственной резонансной частоты пластинки с частотой генератора прибора. Это возможно, если толщина пластинки равна нечетному числу полуволн (при f = 880 кГц длина полуволны 3,26 мм). Для того, чтобы УЗ волна проходила без ослабления через основание (резонатор), его толщина должна быть равна целому числу полуволн (1 или 2).
Рис. 27. Структурная схема УЗ-аппаратов:
1 – силовой трансформатор; 2 – выпрямитель (одно и двухполупериодный); 3 – переключатель постоянного и импульсного режимов и длительности импульсов; 4 – высокочастотный генератор для питания пьезоэлектрического преобразователя и возможностью настройки частоты; 5 – пьезоэлектрический преобразователь (излучатель) соединенный кабелем с аппаратом; 6 – регулятор выходной мощности генератора, например, на основе ступенчатого делителя напряжения; 7 – модулятор для обеспечения импульсного режима генератора с возможностью регулирования длительности импульсов (вместо переключателя); 8 – усилитель мощности
При эксплуатации аппарата должна производится периодическая проверка калибровки шкалы регулятора интенсивности. Для этого используют измерители УЗ мощности в виде УЗ весов, определяющих давление волны на датчик, величина которого прямо пропорциональна мощности УЗ. В качестве измерительного устройства использованы высокочувствительные рычажные весы, помещенные в ванну с водой.
Рис. 28. Схема головки аппарата для ультразвуковой терапии
4.4. Классификация уз диагностических приборов
Основными классификационными признаками могут быть назначение, функциональные возможности, технический уровень и качество выполняемых функций.
По назначению и функциональным возможностям УЗ приборы делятся на универсальные и специализированные.
Универсальные УЗ приборы делятся на три основных типа в зависимости от используемых режимов работы: ультразвуковые сканеры; УЗ сканеры с оценкой спектра частоты звука при использовании эффекта Допплера; УЗ сканеры с цветовым допплеровским картированием.
Основными режимами работы являются следующие.
А-режим, является самым простым видом отображения информации, для получения которой не требуется сканирование, т.е. последовательные во времени изменения положения УЗ луча с целью получения акустического изображения и акустический луч имеет неизменное направление. На экране монитора отражается А-эхограмма в виде амплитудных значений эхо-сигнала от имеющихся неоднородностях в биологических тканях. Применяется в офтальмологии и при исследованиях головного мозга (эхоэнцефалоскоп) (рис. 29).
Рис. 29. Получение А-эхограммы
Режим В получил наибольшее распространение и позволяет получить двухмерное изображение при сканировании внутренних структур организма периодически посылаемыми УЗ импульсами. Совокупность принятых эхо-сигналов позволяет простроить акустическое изображение биологических тканей на мониторе (рис. 30). Уровень эхо-сигналов определяется отражающими свойствами границ раздела структур с различными акустическими характеристиками.
Рис. 30. Структурная схема получения двухмерного изображения в УЗ приборе
Датчик обеспечивает излучение УЗ сигналов в определенных направлениях и прием отраженных эхо-сигналов с этих же направлений, обеспечивая просмотр обследуемой области. Для повышения проходимости ультразвука в зоне контакта с исследуемым объектом (т.е. через воздух, где затухание сигнала резко возрастает) наносится специальный гель. Изображенная на рис. 30 граница луча определяет область, в которой в основном сосредоточена излучаемая мощность, и за которой происходит рассеяние и затухание сигнала с уменьшением мощности излучения по сравнению с максимальным уровнем в определенное число раз.
В начале очередного цикла сканирования устройство управления сканированием обеспечивает установку луча датчика в положение 1. Устройство приема-передачи сигналов формирует короткий передающий электрический импульс, который поступает на датчик, где преобразуется в зондирующий акустический импульс, излучаемый в направлении оси луча.
Сразу после окончания излучения зондирующего импульса датчик вместе с устройством приема-передачи переходит в режим приема эхо-сигналов. Передаваемый и приемный лучи совпадают по направлению и близки по виду, но могут отличаться формой в результате преломления и рассеяния, что влияет на качество изображения. Эхо-сигналы от неоднородностей и в пределах границ лучей, при достаточном уровне отражения принимаются датчиком, преобразуются в электрические импульсы и после усиления в устройстве приема-передачи поступают в устройство преобразования и обработки сигналов, откуда они выходят в виде, позволяющем отображать их на экране монитора в виде яркостных отметок на оси луча. Информация в виде яркостных отметок вдоль осей называется акустическими строками. Яркость отметок соответствует амплитуде эхо-сигнала.
Аналогично происходит излучение и прием луча в направлении 2, ось которого отстоит от оси луча 1 на расстоянии соизмеримом с шириной луча. Оси всех лучей находятся в одной плоскости, называемой плоскостью сканирования и образуют двухмерное (2Д-two dimensional) яркостное изображение (B – brightness – яркость).
Положение отражающих неоднородностей, т.е. глубина их расположения вдоль акустической строки, вычисляется посредством измерения времени прихода эхо-сигналов от них относительно начала зондирования
, (11)
где L – расстояние отражателя от датчика;
t – интервал времени между началом зондирования и моментом прихода эхо-сигнала;
C – усредненная скорость ультразвука в мягких тканях, равная 1540 м/с.
М-режим (ТМ) – используется для регистрации изменения пространственного положения подвижных структур во времени (М-motion – движение, ТМ – time motion – движение во времени). Наиболее часто он используется для исследования движение структур сердца. В этом режиме зондирование периодически повторяется в одном и том же направлении акустического луча (рис. 31). При формировании М-эхограммы при каждом зондировании информация от эхосигналах с различных глубин отображается в виде отметок различной яркости вдоль вертикальной линии.
Следующему зондированию соответствует своя линия и т.д. Таким образом формируется двухмерная М-эхограмма.
М-режим используется в кардиологии, как правило вместе с В-режимом: сначала в В-режиме выбирается ракурс наблюдения, т.е. направление луча для М-режима, а затем на датчике включается режим М. Частота периодического зондирования составляет не менее 20 Гц при длительности исследования от 1 до 16 с.
В зависимости от режимов работы универсальные УЗ приборы подразделяются на следующие группы.
Ультразвуковые сканеры для получения двухмерного черно-белого изображения исследуемых биологических тканей. Основные режимы работы – В (2Д) и М (ТМ).
Рис. 31. Получение М-эхограммы
УЗ сканеры со спектральным допплером – кроме работы в режимах В и М (обычные УЗ сканеры) имеют возможность оценивать спектр скоростей кровотока доплеровским методом с использованием специального режима Д (doppler), позволяющего оценить скорость кровотока.
УЗ сканеры с цветовым допплеровским картированием и большим количеством функций. В дополнении к прежним возможностям она дают отображение двухмерного распределения скоростей кровотока выделенным цветом на двухмерном черно-белом изображении тканей. Основные режимы В, М, Д и CFM – цветовое допплеровское картирование кровотока.
К специальным УЗ приборам относятся приборы ограниченного медицинского применения:
эхоофтальмометры – для визуализации структур глаза в виде одно или двух мерного изображения. Режимы работы – А и В;
эхоэнцефалоскопы – для обследования мозга через височные области черепа. Режимы: А и А+Д;
эхокардиограф – для обследования сердца и сосудов в режимах В, М, и Д.
Функциональные возможности и области медицинского применения УЗ приборов определяются используемыми режимами работы и набором датчиков и дополнительных устройств, подключаемых к прибору, вычислительными программами, устройствами запоминания, архивирования и регистрации диагностической информации.