1.Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Магнитострикционный эффект. Тензоэффект.
При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды —
прямой пьезоэлектрический эффект.
При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн –
обратный пьезоэлектрический эффект.
Магнитостри́кция — явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются. Тензоэффект - свойство материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление.
2.Описание характера распространения УЗ волны в тканях биологического объекта
Ультразвуковая волна (как любая звуковая волна) распространяется в среде в виде чередующихся зон сжатия и расширения молекул вещества, которые совершают колебательные движения. Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью (в среднем 1540 м/с). На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином акустический «импеданс»: =, где – плотность среды V – скорость звука в рассматриваемой среде Скорость звука в тканях принята постоянной (1540м/с), различаются же различные ткани по величине акустического сопротивления.
Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается.
3.УЗ преобразователь как трансдьюсер. Классификация УЗП по элементной базе. Эхокардиография и фонокардиография (что есть что).
УЗП - сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме.
Идеальный датчик должен быть эффективен как излучатель и чувствителен как приемник, иметь хорошие характеристики излучаемых им импульсов со строго определенными показателями, а также принимать широкий диапазон частот, отраженных от исследуемых тканей.
По элементной базе :
a.Механические - сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он или вращается или качается). Недостатки: шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Морально устарели и в современных УЗИ сканерах не используются.
b.Электронные - электронных развертка производится электронным путем. Фазированные датчики – датчики с многоэлементыми линейными решетками. Аннулярный датчик = многоэлементный.
Эхокардиография (эхокардиоскопия) - исследование сердца.
Фонокардиография – запись звуков, генерируемых при работе сердца.
4.Классификация УЗП по типу сканирования
По типу УЗ сканирования:
a.Линейные (параллельные)
Частота 5-15 Мгц.
Преимущества: 1) полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдьюсора на поверхности тела. 2) за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 10 см) Недостаток: сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям.
Применение: в исследование поверхностно расположенных структур - щитовидной железы, молочных желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.
b.Конвексные
Частота 2,5-7,5МГц.
Преимущества: меньшая длина, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто.
Недостатки: получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие. Глубина сканирования: 20-25 см. Применение: Секторные исследования глубоко расположенных органов - органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренные суставы
c. Секторные
Частоте 1,5-5 Мгц. Имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. Типичным применением секторного датчика является эхокардиография (эхокардиоскопия)2 - исследование сердца.
5. Устройство УЗП с пояснением функции основных элементов
На поверхности (излучающую и тыльную) пьезоэлемента наносятся электроды - тонкие слои токопроводящего металла (как правило, серебра), а к ним припаиваются проводники - токопроводы. По ним поступают электрические сигналы возбуждения в режиме излучения и с них же в режиме приема снимаются эхо-сигналы, преобразованные в электрические. Материал пьезоэлемента оказывает огромное влияние на качество УЗ преобразователя.
Демпфер. Основное назначение демпфера соответствует его названию - это частичное смягчение (демпфирование) механических колебаний пьезоэлемента. Делается это для того, чтобы максимально расширить полосу ультразвуковых частот, излучаемых и принимаемых датчиком, что повышает продольную разрешающую способность прибора. Другая обязанность демпфера - поглощать излучение тыльной стороны пьезоэлемента, т.е. той, которая обратна рабочей стороне, контактирующей с телом пациента.
Согласующие слои. Наносятся на рабочую (излучающую и принимающую сигналы) поверхность пьезоэлемента поверх электрода. Служат для согласования акустических сопротивлений материала пьезоэлемента и биологических тканей. Хорошее согласование совершенно необходимо для того, чтобы обеспечить передачу с минимальными потерями акустических (ультразвуковых) сигналов от пьезоэлемента в биологическую среду и наоборот, аследовательно, повысить чувствительность датчика. Акустическая линза. Изготовленная из материала со специально подобранными свойствами, акустическая линза фокусирует УЗ луч, т.е. обеспечивает минимальную ширину луча в определенном диапазоне глубин и, следовательно, улучшает разрешающую способность. Одновременно акустическая линза выполняет роль протектора - защитного слоя, предохраняющего пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы, а также защищает пациента от поражения электрическим током. По последней причине крайне важно не допускать трещин в акустической линзе и проверять токи утечки.
6.Пространственная, продольная, поперечная разрешающие способности УЗИ сканера Пространственная разрешающая способность (разрешение) -
минимальное расстояние между двумя малыми отражающими объектами, при котором, наблюдая изображение на экране, можно их видеть раздельно, т.е. принять решение о наличии двух элементов.
Продольная разрешающая способность - точечные отражатели находятся в одном УЗ луче и изменяется их взаимное положение вдоль оси луча.
Поперечная разрешающая способность – точечные отражатели находятся на одной глубине или на линии, перпендикулярной осям УЗ лучей.
7.Взаимосвязь частоты УЗ излучения с величиной продольной разрешающей способностью и максимальной глубиной исследования.
Чем выше частота излучения, тем меньше максимальная глубина зондирования.
8.Чувствительность, динамический диапазон, апертура и динамическая фокусировка УЗП преобразователей Чувствительность – способность обнаруживать и наблюдать малые
элементы структуры на фоне помех и собственных шумов системы. Динамический диапазон – способность УЗ системы отображать одновременно большие и малые сигналы, передавая различия в их уровне. Количественно отображается отношением максимального сигнала к минимальному, отображаемому системой.
Апертура – диаметр преобразователя (в упрощенном виде).
Динамическая фокусировка – способ наблюдать широкий диапазон глубин БО с хорошей разрешающей способностью (изображение остается в фокусе, а не уходит в ближнюю или дальнюю зону).
9.Суть эффекта Допплера. Формула для расчета доплеровского сдвига частоты, применяемая в медицине, характеристика входящих физ. Величин
Эффе́кт До́пплера состоит в изменении частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванным движением их источника и/или движением приёмника.
C- Скорость звука, в организме человека принята постоянной.
Очевидно, что при данной скорости кровотока допплеровский сдвиг пропорционален частоте излучаемого датчиком сигнала: чем больше эта частота, тем больше сдвиг. По этой причине целесообразно выбирать как можно большую величину частоты сигнала, так как при этом увеличивается точность измерения допплеровского сдвига и, следовательно, точность оценки скорости V в каждый момент времени. Однако увеличивать частоту колебаний
безгранично не представляется возможным: с увеличением частоты повышается степень затухания волны и, следовательно, уменьшается максимальная глубина, на которой еще можно получить эхо-сигнал приемлемого уровня. Необходимо придерживаться некоторой золотой середины, поэтому в чисто допплеровских системах используются специальные допплеровские датчики со следующими частотами: 2 МГц – для исследования сосудов мозга (транскраниального исследования); 3 МГц – для исследования плацентарного кровотока; 4 или 5 МГц – для исследования относительно крупных и глубоко расположенных сосудов; 8 или 10 МГц – для исследования мелких, неглубоко расположенных периферических сосудов.
F0-частота колебаний, излучаемых датчиком, задается исследователем. а-угол между осью трансдьюсера и вектором движения эритроцита, его обычно называют допплеровским углом или углом инсонации.
Понятно, что чем меньше будет угол а, тем больше будет величина доплеровского сдвига и, соответственно, возрастет точность оценки. Однако при этом следует иметь в виду чрезвычайно важное обстоятельство - при уменьшении угла, а менее 25° или увеличении угла более 155° (так называемые критические углы) ультразвук может не проходить через границу между стенкой сосуда и кровью, а полностью отражаться от этой границы. Физически это можно объяснить явлением преломления и отражения падающей волны
10.Принцип построения доплерограммы.
Вреальных измерительных системах на экране допплеровского прибора изменение спектра во времени изображают по-другому - в виде двухмерного графика зависимости допплеровского сдвига частот от времени – цветовое доплеровское картирование = допплерограмма = спектрограмма (более общее техническое понятие).
11.Непрерывноволновой допплер (объяснить название и суть метода).
Врежиме CW излучаются и принимаются синусоидальные сигналы большой длительности, которые поэтому называются непрерывными, хотя, на самом деле, таковыми они не являются.
Для режима CW используются специальные датчики, в которых излучение и прием обеспечивается отдельными УЗ преобразователями. Излучатель и приемник датчика имеют вид пьезокерамических полудисков, акустически и электрически отделенных друг от друга. Излучатель формирует передающий луч, приемный преобразователь - приемный луч. Оси лучей ориентированы
таким образом, чтобы они пересекались на некоторой глубине, в районе которой датчик должен исследовать сосуды.
На излучатель поступает непрерывный синусоидальный электрический сигнал с частотой f0 . В пьезокерамическом излучателе электрический сигнал преобразуется в синусоидальный УЗ сигнал с той же частотой. Излучаемые УЗ колебания, распространяющиеся вглубь биологических тканей, в основном сконцентрированы в границах передающего луча (рис. 11 а). По мере распространения УЗ колебания претерпевают отражения от акустических неоднородностей, и часть этих отражений в виде эхо-сигналов возвращается к датчику и может быть принята его приемным преобразователем. Наилучшим образом прием эхо-сигналов осуществляется в границах приемного луча. Очевидно, что наиболее благоприятные условия исследования имеют место в зоне пересечения передающего и приемного лучей.
Область пересечения, передающего и приемного лучей, в которой анализируется допплеровский спектр эхо-сигналов, называется контрольным объемом.
12. Импульсноволновой допплер (объяснить название и суть метода). Отличие датчика от датчика, используемого в непрерывноволновом режиме
Основной недостаток метода непрерывноволнового допплера - отсутствие разрешающей способности по глубине - исключается в методе импульсноволнового допплера (pulse wave Doopler). Импульсные, т.е. короткие по времени, сигналы дают возможность наблюдать отдельные участки по глубине. При этом, чем короче во времени импульсы, тем лучше разрешающая способность по глубине, или продольная разрешающая способность (минимальное расстояние между двумя точками, которые удается различить).
Если использовать короткий излучающий импульс S2(t), то эхо-сигналы, отраженные отдельными структурами в случаях 1 и 2, будут восприниматься раздельно на оси t. Разрешающая способность по глубине здесь существенно выше, чем при сигнале S1(t). Минимальный интервал по времени между элементами, при котором эхо-сигналы воспринимаются отдельно, равен
длительности сигнала по времени 
. Соответственно, минимальное расстояние по глубине между элементами, при котором они воспринимаются
воспринимаются отдельно, равно: 
Для того чтобы наблюдать только один интервал по глубине, необходимо выделить определенный интервал во времени - строб, и анализировать эхосигналы, приходящие в стробе. Положение этого строба на оси времени t однозначно определяется глубиной расположения сосуда. Ширина строба
выбирается равной или большей длительности импульса 
.
Область, ограниченная шириной приемно-передающего УЗ луча и длиной строба , характеризует контрольный объем в импульсно-волновом допплере, т.е. ту область, в которой оценивается спектр скоростей кровотока. Длина и положение строба во времени (и следовательно, по глубине) однозначно связаны с размерами и положением контрольного объема. Поэтому зачастую вместо термина «строб» используется понятие контрольного объема. В начале исследования, например в тех случаях, когда ведется поиск сосуда, длина строба может выбираться в несколько раз больше длины импульса. При этом строб по глубине может иметь размер 5-10 мм. Соответственно и контрольный объем, т.е. область анализа эхо-сигналов, достаточно велик.
13.Радиальная разрешающая способность Допплера. Причины, с которым связаны ограничения по максимальной глубине зондирования (перечислить).
Радиальная разрешающая способность r определяется минимальным расстоянием в плоскости, перпендикулярной направлению зондирования между двумя малыми, движущимися с разными скоростями V1 и V2, объектами, при котором скорости этих объектов могут быть еще достоверно зарегистрированы (отдельно для каждого из объектов).
Максимальная глубина зондирования ограничена и определяется рядом факторов: затуханием УЗ волны в биологических тканях, возрастающим с увеличением частоты; рассеянием ультразвука на акустических микронеоднородностях; мощностью излучаемой в биообъект ультразвуковой волны; чувствительностью приемного тракта УЗ прибора.
14.Аускультация сердца и легких. Эхокардиография. Частотный диапазон звуков дыхания и сердца. Чувствительность и частотная характеристика акустических ИП Аускультация — метод физикальной диагностики в медицине, ветеринарии,
экспериментальной биологии, заключающийся в выслушивании звуков, образующихся в процессе функционирования органов (чаще всего, сердце и легкие, реже - кишечник).
Эхокардиография — метод ультразвуковой диагностики, направленный на исследование морфологических и функциональных изменений сердца и его клапанного аппарата.
Звуки сердца сосредоточены в более ограниченной области низких частот (10150 Гц), а звуки дыхания - в более высокочастотной (100-2500 Гц). Уровень звуков, генерируемых сердцем, в низкочастотном диапазоне, более интенсивен, чем уровень звуков дыхания.
Чувствительность – отношение величины напряжения, развиваемого микрофоном на сопротивлении, равном номинальному (Rн), к величине звукового давления, воздействующего на мембрану микрофона [В/(Н/м2)].
Частотная характеристика – зависимость чувствительности микрофона от частоты звуковой волны, воздействующей на его мембрану.
15.Аускультативные датчики (микрофоны). Неравномерность частотной характеристики. Сопротивление номинальной нагрузки. Характеристика направленности и уровень собственных шумов.
Стетофонендоскоп предназначен для съема ипередачи звука с поверхности тела пациента наслуховые органы врача.
Неравномерность частотной характеристики – отношение максимального значения чувствительности к минимальному значению, выраженное в дБ.
Сопротивление номинальной нагрузки – сопротивление, на которое нагружен микрофон, и при котором рассчитываются все его параметры.
Характеристика направленности – зависимость чувствительности микрофона на данной частоте от угла между акустической осью и направлением на источник звука. Ее изображают графически (в полярных координатах).
Уровень собственных шумов – выраженное в дБ отношение действующего значения шумового напряжения (например, из-за флуктуаций давления воздуха вокруг микрофона) на зажимах микрофона к действующей величине напряжения, развиваемого микрофоном под воздействием звукового давления
Р= 0.1 Н/м2.
16.Электретный микрофон. Принцип действия. Независимость сигнала от частоты падающей звуковой волны.
Электрет– тело, длительно сохраняющее поляризацию после удаления внешнего электрич. поля и создающее в окружающем его пространстве электрич.поле. Электрет – электрический аналог постоянного магнита. Электретный эффект получают электризацией диэлектрика в электрич. поле, охлаждая диэлектрик после нагрева (термоэлектреты), при комнатной температуре (электроэлектреты) или освещая (фотоэлектреты), а также электризуя диэлектрик частицами высоких энергий (радиоэлектреты) и т.п.
17. Пьезоэлектрический акустический ИП. Принцип действия. Электроакустический преобразователь колебательного ускорения. Принцип действия
Массивная тыльная накладка жестко соединена с металлическим корпусом,
в верхней части которого установлен предварительный усилитель. Звук из биотканей (акустически мягкой среды) распространяется в акустически жесткую (стальную мембрану), далее через переднюю накладку на