5.5. Ультразвук и инфразвук.

5.5.1. Биофизика ультразвука (уз).

Физические характеристики, получение и регистрация ультразвука.

Верхняя граница УЗ обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах (10^-6 м) или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах (10^-10м)

УЗ волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона или инфразвука, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, поглощения, рассеяния и т.п.). Скорость распространения ультразвука примерно такая же, как и скорость слышимого звука (в одной и той же среде).

Благодаря малой длине волны дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к УЗ можно применять законы геометрической оптики и изготавливать ультразвуковые фокусирующие системы, которые можно использовать для получения звуковых изображений в системах звукозаписи и акустической голографии. Помимо этого, фокусировка ультразвука позволяет концентрировать энергию, получая при этом необходимые интенсивности.

Затухание УЗ в веществе определяется не только его поглощением, но и отражением на границах раздела сред, отличающихся своими акустическими сопротивлениями. Этот фактор имеет большое значение при распространении УЗ в живых организмах, ткани которых обладают самыми различными акустическими сопротивлениями (на границах мышца – надкостница – кость, на поверхностях полых органов т. п.). Из-за большого отличия акустических сопротивлений на границе воздух–ткань происходит практически полное отражение УЗ. Это создает определенные трудности при УЗ–терапии, т.к. слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для УЗ. Поэтому используются специальные контактные вещества (вазелиновое масло, глицерин, ланолин), которые должны обладать малым коэффициентом поглощения и иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению кожи.

Устройства, предназначенные для генерирования ультразвука, называются ультразвуковыми (УЗ) излучателями.Наиболее распространены электромеханические излучатели. В пьезоэлектрических излучателях используется явлениеобратного пьезоэффекта, которое заключается в механической деформации кристаллических тел под действием электрического поля. Соответственно, на основе прямого пьезоэффекта можно создать приемник ультразвука.

Преобразователи другого типа основаны на явлении магнитострикции. Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается под действием переменного магнитного поля.

5.5.2. Применения ультразвука в медицине. Ультразвуковая диагностика.

Использование в диагностике ультразвука позволило добиться высокой информативности о протекающих в организме патологических процессах, а безопасность и относительная простота вывели УЗ-диагностику на одно из ведущих мест в клинических исследованиях.

Ультразвуковой эхо-метод. Диагностический эхо-метод основан на отражении УЗ на границе между тканями с различными акустическими сопротивлениями. Разработанная методика ультразвуковой локации (интроскопии) или исследования (УЗИ) позволяет определить расположение, форму и размеры неоднородных включений в теле человека, локализацию опухолей, дает возможность визуализировать глубокорасположенные органы и ткани.

В диагностике применяется как непрерывное УЗ-излучение (исследованию подвергается стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной от границы раздела волн), так и импульсное (непосредственное применение принципа локации – определение расстояния до объекта по известной скорости импульса и времени хода).

Ультразвук позволяет дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности на 0,1% (для сравнения в рентгенографии разница в плотностях составляет не менее 10%).

Диагностика на основе эффекта Доплера. Большими возможностями и преимуществами обладает ультразвуковой эхо-метод, основанный на эффекте Доплера, позволяющий не только изучать расположение тех или иных органов и участков тканей, но и физиологические процессы в их динамике.

Метод Доплера в гемодинамике. Сущность метода заключается в том, что при отражении ультразвука от пульсирующих стенок сосуда и от взвешенных в плазме и движущихся вместе с ней форменных элементов крови (в основном от эритроцитов) возникает эффект Доплера. По доплеровским сигналам, образованным внешней и внутренней стенками сосуда, можно определить диаметр сосуда, а по сигналам от эритроцитов узнать на каком расстоянии от стенки сосуда находятся эритроциты, обладающие той или иной скоростью. Это позволяет изучать динамику потока крови в различных участках сечения сосуда.

Кроме того, можно определить направление кровотока, так как исследования показали, что в ряде случаев при сердечно-сосудистых заболеваниях в артериях существует такое отрицательное явление, как противоток венозной крови. Можно изучать также мозговую гемодинамику и изменения кровотока при инсультах, что позволяет делать ценные диагностические выводы.

Метод Доплера в кардиологии. Ультразвуковая доплеровская кардиография является наиболее адекватным методом прижизненной оценки сердечной деятельности. Данный метод позволяет регистрировать доплеровские частоты, вызванные отражением ультразвука от движущихся участков сердца, дает возможность измерить расстояние до отдельных участков сердца, их размеры, скорости и ускорения, фиксировать начало и длительность различных фаз сердечного цикла. Доплеркинетограмма при мерцательной аритмии показывает, что это заболевание вызывает изменения скорости и ускорения движения миокарда в систоле и диастоле. Поэтому доплекинетограммы позволяют осуществлять раннюю диагностику предынфарктного состояния.

Метод Доплера в акушерстве и гинекологии. Этот метод позволяет прослушивать сердце плода, устанавливать многоплодие (доплеровские частоты от нескольких сердец), измерять скорости кровотока в маточных артериях, движения жидкости в пуповине. Делать заключение о наличии эмболии. Существующая аппаратура позволяет определять сердечную деятельность плода, начиная с 9-10 недель беременности, выясняя, таким образом, наличие возможных патологий.