Экзамен – ФОДиТ

​ Интенсивность волны пропорциональна квадрату круговой частоты

Ускорение частиц в УЗ-волне может быть значительным

Кавитации

​ Сжатия и разрежения создают кавитации в жидкости

Кавитации выделяют энергию, разогревают вещество и ионизируют молекулы

Какие методы визуализации используются в УЗ диагностике? ​

Некоторые методы визуализации, которые используются в ультразвуковой диагностике:

Эхография. 1 Включает в себя А-, М- и В-режимы. 12 А-режим позволяет получать одномерное изображение, где первая координата — это амплитуда отражённого сигнала от границы сред, а вторая — расстояние до этой границы. М-режим даёт одномерное изображение для оценки движения исследуемых структур в развёртке по времени, например, такой режим используется при УЗИ сердца. В- режим — двумерное серошкальное сканирование, где изображение формируется за счёт отражения УЗ-волн от границ раздела сред объектов исследования, это базовый режим, используемый для визуализации практически всех органов и структур. 1 Допплерография. 12 Это совокупность методов ультразвуковой диагностики,

основанные на эффекте доплера. Допплерография позволяет врачам получить информацию о кровотоке, оценить работу сердца и выявить возможные нарушения. 1 Трёхмерное исследование (объёмная визуализация). 1 Для этого используются

3D-УЗИ, позволяющие получать трёхмерные изображения, полученные методом преобразования двухмерных данных, а также 4D-УЗИ, где добавляется ещё и четвёртое измерение — время. 2 Эластография. 12 Это неинвазивный ультразвуковой метод исследования

жёсткости, эластичности или упругости тканей внутренних органов и структур для выявления узлов, новообразований, опухолей и других патологических изменений, а также общей оценки их состояния. 1 Ультразвуковое исследование с применением контрастирующих препаратов. 1

Для этого используются ультразвуковые контрасты, основной принцип формирования которых основан на разности ультразвукового импеданса контраста и среды, где этот контраст находится. 5 Мультимодальная визуализация. Для этого используются различные методы и

режимы ультразвуковой диагностики, например, эхография, допплерография, эластография и другие. 1

Интенсивности ультразвуковых волн, применяемых в медицине, подразделяются на три интервала:

1. Малая интенсивность — 0,05–0,6 Вт/см².

2.Средняя интенсивность — 0,6–1,2 Вт/см².

3.Большая интенсивность — свыше 1,2 Вт/см².

Вбиологических исследованиях используются интенсивности до 1000 Вт/см².

Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через неё энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощённой энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения.

Перечислите особенности распространения УЗ волн. ​

Особенности распространения ультразвуковых (УЗ) волн:

1.Затухание: УЗ волны теряют свою энергию по мере прохождения через материал из-за поглощения и рассеивания.

2.Отражение: УЗ волны могут отражаться от границ различных сред с разной акустической импедансией.

3.Рефракция: При переходе из одной среды в другую с разными звуковыми скоростями, УЗ волны могут меняться, отклоняясь под различными углами.

4.Дифракция: УЗ волны могут огибать препятствия и распространяться через небольшие отверстия, изменяя свою направление.

5.Интерференция: Когда две или более УЗ волны встречаются, они могут взаимодействовать, усиливая или ослабляя друг друга.

6.Способность проходить через различные среды: УЗ волны могут распространяться через твердые тела, жидкости и газы, хотя скорость и интенсивность зависят от среды.

7.Прямолинейное распространение: В однородных средах УЗ волны распространяются в прямолинейных траекториях.

8.Эффект Доплера: При движении источника или приемника УЗ волн, частота воспринятых волн изменяется.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты:

микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;

разрушение биомакромолекул;

перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран (см. гл. 11);

тепловое действие;

разрушение клеток и микроорганизмов.

Основные явления при взаимодействии УЗ с веществом:

отражение – изменение направления волны на границе двух сред с разными оптическими свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл

преломление – изменение направления распространения волн при переходе из одной среды в другую.

рассеяние – возникновение множественных изменений направления распространения, обусловленное мелкими неоднородностями среды, следовательно многочисленными отражениями и преломлениями.

поглощение – переход энергии волны в другие виды энергии (в частности в тепло), обусловленный вязкостью среды.

Дайте определение коэффициента отражения R и проникновения β УЗ волны. Напишите формулу, по которой рассчитывается R.

Коэффициент отражения R ультразвуковой волны — это отношение интенсивностей отражённой и падающей волн. Он зависит от соотношения удельных акустических сопротивлений первой и второй сред. 4

Коэффициент проникновения β ультразвуковой волны в другую среду — это отношение интенсивностей преломлённой и падающей волн. Он равен: β = I2/I1, где I2 — интенсивность преломлённой волны, I1 — интенсивность падающей волны. 1

Таким образом, коэффициент отражения показывает долю отражённой

энергии, а коэффициент проникновения — долю энергии, прошедшей через границу раздела. При нормальном (перпендикулярном) падении ультразвука на акустический интерфейс часть акустической энергии отражается, а другая часть проходит через границу раздела. 3

Котр отраж падающ

Котр

2. Акустический импеданс. Особенности распространения ультразвуковых волн.

Возможность использования ультразвука в исследовании внутренних органов основана на свойстве ультразвука отражаться на границе двух сред с разным

акустическим импедансом.

Definition

Аккустический импеданс – это физическая величина, характеризующая сопротивление среды распространению звуковых волн в этой среде.

где p – плотности среды; с – скорость звука.

Особенности распространения УЗ в среде:

1.УЗ – волна является продольной.

2.Лучевой характер распространения.

3.Проникновение в оптически непрозрачные среды.

4.Возможность фокусировки энергии луча в малом объеме.

5.Отсутствие дифракции на стенках внутренних органов человека.

6.Отражение от границы раздела сред, отличающихся волновым сопротивлением.

7.Способность поглощаться биологическими тканями.

14.Акустический импеданс. Взаимодействие ультразвука с веществом.

См. выше

Акустический импеданс, также известный как волновое сопротивление, является важной характеристикой среды, определяющей взаимодействие ультразвука с веществом.

Определение и свойства

Волновое сопротивление (Z) - это мера сопротивления среды распространению ультразвуковой волны и определяется как произведение плотности среды (ρ) на скорость ультразвука в ней (v): Z = ρv.

Различные ткани организма имеют различное акустическое сопротивление.

Если ультразвук проходит через границу раздела двух сред с различным акустическим импедансом, часть энергии ультразвуковой волны отражается, а часть преломляется.

Коэффициент отражения (Котр) показывает, какая часть энергии ультразвуковой волны отражается от границы раздела сред. Он зависит от разности акустических импедансов сред. Если акустические сопротивления соседних тканей не отличаются, то их граница не может быть обнаружена (Котр = 0).

Коэффициент проникновения показывает, какая часть энергии ультразвуковой волны проходит через границу раздела сред.

Энергия падающей ультразвуковой волны распределяется между отраженной (Еотр) и преломленной (Епрел) волнами, что можно выразить уравнениями: Еотр = Котр Е, Епрел = (1 - Котр) Е.

Взаимодействие ультразвука с веществом

Отражение и преломление: Когда ультразвуковая волна достигает границы раздела сред с разными акустическими импедансами, она частично отражается и частично преломляется. Чем больше разница в волновом сопротивлении, тем больше отражение. Отражение ультразвука используется в эхографии для получения изображений.

Поглощение: При распространении в веществе ультразвук поглощается, то есть его энергия уменьшается по мере удаления от источника. Преобладающая часть поглощенной тканью энергии преобразуется в тепло. Поглощение зависит от частоты ультразвука, а также от свойств среды, через которую он проходит. В биологических тканях зависимость поглощения от частоты является линейной, а не квадратичной, как в однородных средах.

Рассеяние: При наличии в среде неоднородностей (например, мелких структур) происходит рассеяние ультразвуковых волн, что также может привести к затуханию волны. Ультразвуковые изображения формируются в основном за счет волн, рассеянных на относительно мелких структурах.

Дифракция: Ультразвуковые волны способны огибать препятствия.

Интерференция: При пересечении ультразвуковых волн наблюдается их усиление или ослабление (интерференция), в зависимости от фазы колебаний. Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя, а также при отражении их от препятствия.

Клиническое значение

Различие в акустическом импедансе между различными тканями является основой для получения изображений в ультразвуковой диагностике. Границы между тканями с различным импедансом создают отражения, которые регистрируются датчиком и используются для формирования изображения.

Акустическое окно, создаваемое жидкостными образованиями, облегчает визуализацию анатомических структур, расположенных за ними.

Костная ткань и газосодержащие структуры (легкие, желудок, кишечник) сильно отражают ультразвук, что затрудняет исследование тканей, расположенных за ними.

Для обеспечения прохождения УЗ через кожу используют контактные среды, чтобы избежать отражения на границе воздух-кожа.

Современная эхография позволяет регистрировать сигналы от границ, различающихся по волновому сопротивлению – Z на 1%.

Таким образом, акустический импеданс является ключевым фактором, определяющим, как ультразвуковые волны взаимодействуют с различными тканями, и играет важную роль в диагностических и терапевтических применениях ультразвука.

15. Источники и приемники ультразвука. Пьезоэффект и его применение в датчиках.

5. Источники и приемники ультразвука.

Источники ультразвука (УЗ):

Естественные:

​ Шум ветра, водопады, морской прибой.

Рабочие двигатели и станки.

Насекомые и животные: кузнечики, саранча, сверчки, лягушки, грызуны, летучие мыши, кошки, собаки, дельфины, киты и др.

Пример: летучие мыши издают УЗ с частотой 70-80 кГц для ориентации в пространстве.

​Верхние границы частот, воспринимаемых органом слуха (в

кГц):

Чайки: 8

Лягушки: 30

Собаки: 60

Кошки: 100

Кузнечики: 100

Летучие мыши: 150

Бабочки: 160

Дельфины: 200

Искусственные:

​ Источники ультразвука в медицинской диагностике – это ультразвуковые излучатели (генераторы). 3 Основной частью излучателя является пластина или стержень из вещества с пьезоэлектрическими свойствами (чаще пьезокерамика на основе титаната бария или цирконата-титаната свинца). На

поверхность пластины нанесены электроды. Если к электродам приложить переменное электрическое напряжение от генератора, то пластина начнёт деформироваться и вибрировать, излучая УЗ-волны. 2

Приёмники УЗ:

Естественные:

​ Клетки и органы насекомых и животных.

Пример: летучие мыши используют механорецепторы для восприятия УЗ.

Искусственные:

​ Приёмники ультразвука – это ультразвуковые датчики. 24 Датчик является одновременно и излучателем УЗ-волн, и приёмником отражённых эхосигналов. Под действием УЗ-волны возникает деформация кристалла, которая приводит к генерации переменного электрического поля. Соответствующее электрическое напряжение может быть измерено. 2

Зачем перед УЗ исследованием на кожу пациента наносится УЗ гель? ​

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом (см. 8 6.4). Чтобы исключить воздутный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.

4. Применение пьезоэффекта в датчиках.

Источником ультразвука являются ультразвуковые датчики, принцип работы которых основан на явлении пьезоэффекта. Пьезоэлектрический элемент датчика изменяет свои размеры под воздействием переменного электрического поля и, наоборот, порождает электрическое поле под действием приложенного к нему давления со стороны ультразвуковых волн. Таким образом, датчик может посылать и принимать ультразвуковые волны.

Генерированный ультразвуковым датчиком сигнал распространяется на некоторое расстояние, называемое ближней зоной, в виде пучка параллельных волн, которые затем расходятся в так называемой дальней зоне. Наилучшим образом могут быть исследованы объекты, находящиеся в ближней зоне: здесь выше интенсивность излучения и больше вероятность того, что ультразвуковые лучи распространяются перпендикулярно границе раздела фаз. Протяженность ближней зоны (L)