книги / Применения ультразвука

Commu, 64 (1987) 1153.

120.Namgung С, Irvine ITS, Binks J H and West A R, Supercond Sci Technol, 1 (1988) 169.

121.Rajendran V, Bhattacharya S, Modak D К, Вега A K, Chatterjee and Chaudhuri В К, Phil Mag B, 75 (1997) 647.

122.Almond D P, Wang Q, Freestone J, Lambson E F, Chapman В and Saunders G A, J Phys Condens Mater., 1 (1989) 6853.

123.Robinson Q et al, Adv Ceramic Mater, 2 (1987) 380.

124.Xu M F, Phy Rev, B39 (1989) 843.

125.Dominée J, Supercond Sci Tech, 6 (1993) 153.

126.Physical Acoustics, Academic Press, XX (1992) 238.

127.Bourine L C et al, Phy Rev, B35 (1987) 8785.

128.Bishop D J et al, Phy Rev, B36 (1987) 2408.

129.Xu M F, Physica, B165-166 (1990) 1281.

130.Golding B et al, Proc IEEE Ultrasonic Symposium, (1988) pp 1079. >31.

Doremus R H, Review Bioceramics J Mater Sci, 25 (1990) 285.

132.Hench L L, Splinter R J, Allen W C and Greenlee T K, J Biomed Mater Res, 5 (1972) 117.

133.Chepers E S, Declercq M and Ducheye P, M S Thesis, University of Florida, Gaines Ville, (1977) P-117.

134.Westerland T, Hatakka L and Karlsson K H, J Amer Ceram Soc, 66 (1983) 574.

135.Hench L L, Fundamental aspects of Bio-compatibility, Vol 1, ed. by D F Williams, CRC Press, Boca Raton, (1981) p 67 & J Am Ceram Soc, 74 (1991) 1487.

136.Nakamura T, Yamamuro T, Higashi S, Kokubo T and Ito S, J Biomed Mater Res, 19, (1985) 685; Mater in Medi, 3 (1992) 79.

137.Kiksugi T, Yamamuro T, Nakamura T and Kokubo T, International Othopaedics, 13, (1989) 199: Mater, in Medi, 3 (1992) 95.

138.Andersson O H, J Mater Sci Mater Medi, 3 (1992) 326.

139.Andersson О H, Karlsson К H and Kangasniemi K, J Non-Cryst Solids, 19 (1990) 240.

140.Kelly A, Strong Slides, Clarendon, Oxford, (1966) p 3.

141.Sahar M Rand Abidin A Z, J Mater Sci Letts, 13(1994)227.

142.Heimo Ylanen, Kaj H Karlsson, Ari Itala and Hannu T Aro, J Non-Cryst Solids, 275 (2000) 107.

143.Szabo I, Nagy B, Volksch G and Holand W, J Non-Cryst Solids, 272 (2000) 191.

144.James P F, J Non-Cryst Solids, 181 (1995) 1.

145.Holand W, RheinbergerV and Frank M, J Non-Cryst Solids, 253 (1999) 170.

146.Knowles J C, Franks К and Abrahams I, Biomater, 22 (2001) 3091.

147.Oscar Peitl, Edgar Dutra Zanotto and Larry L Hench, J Non-Cryst Solids 292 (2001)115.

148.Zhang R and Ma PX, J Biomed Mater Res, 44 (1999) 446.

149.Miyazaki T, Kim H M, Kokubo T, Miyaji F, Kato H and Nakamura T, J

Mater Sci: Mater Med, 12 (2001) 683.

150.Rajendran V, Вега A K, Modak D K and Chaudhuri B K, Acoust Letts, 20 (1997) 168.

151.Ebisawa Y, Kokubo T, Ohura K and Yamamuro T, J Mater Sci Mater Med,

1(1990) 239.

152.Rajendran V, Nishara Begum A, Azooz M A and El Batal F H, Biomater 23 (2002) 4263.

153.Rajendran V, Nishara Begum, Heimo Ylanen and Mikko Hupa, J NonCryst Solids, (2002) submitted.

154.Papadakis, Inter, Metals Rev, 1 (1985) pp 1-24.

155.Paul McLntire (Ed) NonDestructive Testing Hand Book, 2/e, ASNT Publications, Vol.7 (1991).

156.Goebbles K, Research Techniques in Non-Destructive Testing, Sharpe R S (Ed),Academie Press, London, Vol. IV (1980).

157.Palanichamy P, Barat P, Subramanian С V, Bhattacharaya D K and BaldevRaj, TransIIM, 41(5) (1981) pp485-488.

158.Vary A, Material Property Characterisation, ASTM Hand Book, Vol. 7,

159.Hecht A, Theil R, Newmann E. and Mundoy E, Mat Eval, 39 (1981) 934.

160.Palanichamy P, Joseph A and JayakumarT, Insight, 36(11) (1994) 874.

161.Palanichamy P and Jayakumar T, Proc 15th WCNDT, India, December, (1996) 2253.

162.Palanichamy P, Joseph A, Jayakumar T and BaldevRaj, NDT& E International,28(3) (1995) 179.

163.Hirsekorn, J Acoust Soc Am, 72(3) (1983) 1021.

164.Hirsekorn, J Acoust Soc. Am., 73(4) (1983) 1160.

165.Vasudevan M, Palanichamy P and Venkatesan S, Scripta Metall. Materials, 30(11),(1994)1479.

166.Palanichamy P, VasudevanM, JayakumarT, Venugopal SandBaldevRaj, NOT & E International, 33 (2000) 253.

167.Vasudevan M, Palanichamy P, Jayakumar T and Baldev Raj, Procc 21st RISO International Symp on Materials Scinece, September 4-8, (2000)

168.Shankar P, Sundaraman D and Ranganathan S, Scr Metall. Trans, 27A (1996) 1175.

169.Sundaraman D, Shankar P and Ranganathan S, Metall Trans, 27A (1996).

170.Shankar P, Sundaraman D. and Ranganathan S, J Nucl Materials, 254 (1996) 1175.

171.Bhattacharya D K, Jayakumar T, Palanichamy P and Baldev Raj, J NonDest Eval, 13(1-4), (1993) 15.

172.Douglass D L, Matellaurgy of Zirconium Atomic Energy Review Supplement, 1971.

173.Krishnan R, Asundi M K, Proc Ind Academy of Sci, (Engg Sci) 4 (1981).

174.Asundi M К and Baneijee S, Proc Symp Nuclear Fabriction (NUF AB- 88), Board Nuclear Sciences, BARC, Bombay, Dec 1988, p 201.

175.Oestberg G, Jornknot Ann 145 (1961) 119.

176.Chemdle P, Knorr D B, Van der Sande J В and Pelloux R M , J Nucl Mater, 113(1983) 58.

177.Baneijee S, Vijayakumar S and Krishnan R, J Nucl Mater, 62 (1976) 229.

178.Ondracek Z, Werkstofftech, 9 (1978) 31.

179.Bush S H and Kemper R S, Recovery and Recrystallisation of Zirconium and its Alloys - Part 3, Annealing Effects in Zircaloy-2 and Zircaloy-3, HW69680(1961).

180.Spies M, Non-destructive determination of materials texture by ultrasonic techniques, MS Thesis, University of Housten, Texas, USA, 1989.

181.Jayakumar T, Mukbopadhyai C, Kasiviswanathan К Vand Baldev Raj, Trans Ind Instt Metals, 51(6) (1998) 485.

182.Bunge, Krist. U Tech, 3 (1968) 431.

183.Spies M and Salama, Res Nondestructive Eval 1 (1989) 99.

184.Bussiere J, Review of Progress in Quantitative NDE, Thomson D & Chimenti D (ed), Plenum, New-York, 6B, (1987) 1377.

185.Yada H and Kawashima K, Non - Dest Characterisation of Materials II, Bussiere J, Monchalin J, Ruud C. and Green R (ed), Plenum, NewYork, (1987) 195.

186.Hall E, Yield point Phenomena in Metal and alloys, Plenum, NewYork, (1970).

187.Uygur E, Research Technique in NOT, Sharpe R (Edt), London, Academic, (1980) 205.

188.Kanninen M and Popelar C, Advanced fracture Mechanics, Clarendon, England, (1985) 392.

189.Vary A, Materials Evaluation, 46 (1988) 642.

190.Smith R, Review of Progress in Quantitative NDE, Thomson D & Chimenti D (ed), Plenum, New-York, 6B, (1987) 1475.

ГЛАВА 9

УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНЕ

9 .1 . В в е д е н и е

Термин «ультразвуковое сканирование» используется повсемес­ тно. Он знаком каждой матери, и множество полученных с его помощью изображений доказывают это. Сканирование безболез­ ненно, безопасно и надежно. Его успех с момента изобретения в 60-х годах воистину ошеломляет. Успешное применение ультра­ звука в различных областях медицины стало возможным благода­ ря совместным усилиям медиков, ученых и инженеров, которые разрабатывали преобразователи, методы и инструментарий, со­ ответствующие отдельным медицинским диагнозам. Инновации, произведенные в преобразователях и инструментах с целью NDT, были с готовностью восприняты и соответствующим образом мо­ дифицированыдля применения в области медицины на начальных стадиях. Базовая техника распространения волны, широко изу­ ченная в твердых телах, жидкостях и газах, стала применяться для понимания процессов распространения, поглощения и затухания ультразвука в частях человеческого тела. За последние два десяти­ летия ультразвук занял в медицине прочную позицию. Потенциал роста в настоящее время наиболее велик. Ультразвуковые измере­ ния скорости кровотока, обнаружение и уничтожение почечных камней, лечение рака и т.д. являются поистине инновационными. Ультразвук применяется для получения изображений различных структур в брюшной полости, таких как печень, желчный пузырь, поджелудочная железа, почки, мочевой пузырь, матка, аортаит.д. С помощью ультразвука можно легко выявлять нарывы, опухоли и камни в этих структурах. Кроме того, он помогает отличать меди­ каментозную желчь от хирургической. Существует ряд известных причин, обусловливающих применение ультразвуковых методов в медицине. К примеру, известно, что традиционные методы, та­

кие как рентген и ядерная медицина, могут стать причиной по­ явления рака. Что касается методов, основанных на химическом анализе, то они отнимают много времени.

В настоящее время ультразвуковое сканирование способ­ но работать в реальном масштабе времени, что позволяет отсле­ живать самые быстрые движения тканей с высокой точностью. Карл Теодор Дуссик, невролог-психиатр Венского университета

вАвстрии, стал первым врачом, который применил ультразвук в медицинской диагностике. Врач Фридрих определял местополо­ жение опухолей в головном мозге и мозговых желудочков пос­ редством передачи ультразвукового луча через голову, с одной стороны которой помещался преобразователь. Джордж Лудвиз, доктор Пенсильванского университета, был одним из пионеров

вобласти использования эхо-импульсного ультразвука в 1940-х, когда впервые произвел опыты на мышцах животных. Его иссле­ дования в биоакустической лаборатории Массачусетского инсти­ тута технологий в сотрудничестве с врачом-биоинженером Р.Х. Болтом и инженером Теодором Хойтером из компании Siemens (Германия), позволили измерить скорость передачи звука в мяг­ ких тканях животных, которая составила 1500—1600 м/с. Более того, сочетание динамической визуализации с физиологической информацией о кровотоке, полученное с помощью доплеровских методов, представляет собой уникальное объединение анатоми­ ческих и физиологических данных. Другим способом примене­ ния ультразвука является отслеживание положения иглы во вре­ мя биопсии. С помощью серийных ультразвуковых исследований можно лучше спланировать процесс радиотерапии. Еще одной важной областью применения ультразвука является устранение камней из мочеточника. При ультразвуковом сканировании почек/мочеточника можно находить камни и дробить их. Ультразвук представляет собой безопасный (неразрушающий) недорогой и доступный метод визуализации, применяемый в первую очередь при изучении многих болезней.

Главным недостатком применения ультразвука является то, что он не проходит через газы при частотах, используемых для целей диагностики. Другое ограничение состоит в том, что для проведе­ ния исследования и интерпретации результатов необходимы осо­ бые навыки, полученные на практике и в процессе обучения. От данного недостатка удалось избавиться при появлении ПК, роботи­ зированного сканирования и программного обеспечения. Прежде

чем ознакомиться с различными ультразвуковыми сканерами и их применением в медицинской диагностике, нужно выяснить аспек­ ты распространения ультразвука в тканях и других частях органов тела. Кроме того, необходимо иметь представление о различных типах преобразователей и инструментария, выполняющих задачи визуализации. Они рассматриваются в следующих разделах.

9.2. Ультразвук в тканях

При температуре тела скорость ультразвука во всех мягких тканях составляет примерно 1400—1600 м/с. Наименьшая скорость на­ блюдается в жировых тканях, а наибольшая - в коже. Во многих мягких тканях, включая мышцы, кровь, печень и почки, диапа­ зон скоростей достаточно близок к среднему значению. Поэтому во всех системах диагностики используется скорость 1540 м/с, предложенная для калибровки. Дисперсия скорости ультразвука

вмягких тканях весьма незначительна и, как правило, состав­ ляет 0,1%/К. Реальная изменчивость звука в тканях приводит к получению ложных изображений (артефактов), вызванных пре­ ломлением. Более высокие и более низкие скорости ультразвука

вкостях и легких не создают трудностей на практике, поскольку эти ткани обычно не подвергаются диагностическому обследова­ нию. Однако скорость в кости может иметь диагностическое зна­ чение при остеопорозе и прочих болезненных состояниях. Было предложено использовать температурное изменение скорости в тканях в качестве метода мониторинга температуры тканей при гипертермии. Были продемонстрированы методы передачи, кото­ рые отображают пространственные изменения скорости в тканях, но они не нашли клинического применения. При частоте 1—10 МГц, преимущественно используемой в медицине, длина волн, движущихся с такой скоростью, находится в диапазоне от 1 , 5 до 0,15 мм, следовательно, пространственное разрешение также ог­ раничено данным диапазоном.

Обычно принимается, что величина, характеризующая затуха­ ние в мягких тканях, приближенно составляет 0,5 дБ-МГц_1 -см_1. Данное значение использовалось в ряде экспериментальных ре­ зультатов. При рабочих частотах медицинского ультразвука за­ висимость затухания от частоты считается линейной. Причиной этого затухания являются множественные релаксационные про-

цессы, происходящие в границах тела, то есть в связях между во­ дой и длинноцепными биохимическими молекулами. Для жиро­ вых тканей и тканей с высоким содержанием коллагена, таких как сухожилия и кожа, характерно затухание выше среднего, в то время как в мозговых и зародышевых тканях затухание низкое. Скелетные и сердечные мышцы демонстрируют значительную анизотропию в затухании и обратном рассеянии. Так, затухание вдоль волокон в три раза больше, чем поперек них. Рассеяние па­ дающей звуковой волны, используемой в эхо-импульсных или доплеровских исследованиях, составляет очень незначительную долю, поскольку коэффициент обратного рассеяния имеет по­ рядок 10_ 3 дБ/см. Рассеяние также зависит от частоты: в мягких тканях оно пропорционально первой или второй степени часто­ ты, в крови —четвертой. В кости и в тканях легких, наполненных воздухом, затухание, по крайней мере, на порядок выше, кроме того, отличаются скорость, плотность и акустический импеданс. По этой причине внутричерепные исследования у взрослых лю­ дей ограничиваются доплеровской техникой, а исследование лег­ ких проводится лишь при отеке последних. Сильное рассеяние от газовых пузырьков широко используется в ультразвуковых конт­ растных исследованиях.

Ультразвуковые свойства тканей определяют точность эхо­ импульсного и доплеровского методов обследования. Выбор на­ иболее оптимальной частоты — это компромисс между необхо­ димостью обнаружения (проникновения) и пространственным разрешением. Помимо этого, очень низкие коэффициенты об­ ратного рассеяния требуют чрезвычайно высокой чувствитель­ ности приемника, которая позволила бы обнаруживать вторич­ ное рассеяние и отраженные эхо-сигналы, выводить их на экран в виде помех и помутнений в изображении. Это ограничивает доступный динамический диапазон. Еще одна проблема эхо-им­ пульсной визуализации обусловлена естественной изменчивос­ тью затухания и его взаимодействием с временной регулировкой усиления. Возникающие обычно затенения и просветления ог­ раничивают правдоподобность изображения, в результате чего обнаружение границ на основе пороговой величины становится очень ненадежным. Наконец, задача достижения сходства огра­ ничена пятнистой структурой изображения, которая обусловле­ на когерентным взаимодействием волны, матрицы рассеяния и апертуры преобразователя-приемника.