Основы ультразвуковой диагностики.

Ультразвук - волнообразное распространяющееся колеба-тельное движение частиц упругой среды с частотой свыше 20 000 Гц. Схематическое изображение ультразвуковых колебаний показано на рисунке 1-1.Из рисунка видно,что ультразвук представляет собой серию чередующихся участков разряжения и сжатия частиц упругой среды.Основные параметры ультразвуковых колебаний:Т-период колебания. Время необходимое для чередования фаз сжатия и разряжения.f-частота. Величина обратная периоду колебаний. f=1/Т -длина волны. Расстояние между двумя близлежащими точками среды, находящимися в одной фазе колебаний.А-амплитуда колебаний. Максимальное отклонение колебаний от положения равновесия.Амплитуда ультразвуковых колебаний связана с мощностью ультразвуковой энергии.С- скорость распространения ультразвука. Прямопропорциональна длине волны и частоте излучаемого ультразвука.С= х f. На скорость распространения ультразвука влияют свойства среды,в которой осуществляются ультразвуковые колебания.Например,в мягких тканях человека скорость распространения ультразвука составляет 1540 м/с, в костях- 3370 м/с,в жировой ткани- 1450 м\с,в печени - 1550 м\с, в крови - 1570 м\с,в мышцах - 1580 м\с, И - интенсивность ультразвука. Отражает количество энергии, проходящей через определенную область в единицу времениИ= ^{мощность (Вт)} область (м²⁾

1.1 Закономерности распространения ультразвука в биологических средах

.Распространение ультразвука зависит от плотности , структуры , однородности , вязкости и сжимаемости тканей . Интегративным отражением этих свойств является акустический импеданс ( АИ ) ткани . Акустический импеданс характеризует степень сопротивления среды распространению ультразвука .АИ = dxc , гдеd - плотность среды ( кг \ м³⁾с - скорость распространения ультразвука в среде ( м \ с)

1.1.1 Закономерности отражения.

Отражение ультразвука происходит на границе раздела сред с различными акустическими импедансами. 1. Величина отражения ультразвука прямопропорциональна разности акустических импедансов сред.2. Ультразвук отражается от обьектов,размеры которых составляют не менее 1/4 длины волны3. Угол падения ультразвука равен углу отражения(рис.1-2).4. Чем ближе угол падения к 90 градусам,тем больше величина отраженного ультразвука.От способности ткани к отражению зависит качество ее визуализации , в основном контрастность изображения . Коэффициент отражения ( КО ) определяется отношением акустических импедансов двух смежных сред ткани . КО = ^{( АИ 1 - АИ 2 )}( АИ 1 + АИ 2)В зависимости от соотношения длины волны зондирующего излучения и размеров объектов отражения различают три типа отражателей :I . Одиночные отражатели , размеры которых меньше длины волны. Они отражают ультразвук в соответствии с рэлеевской теорией диффузного рассеяния во всех направлениях . Амплитуда сигналов , идущих от диффузных отражателей незначительная . II . Отражатели , размеры которых соизмеримы с длиной волны. В этом случае растет амплитуда эхосигналов .III . Зеркальные отражатели , размеры которых намного больше длины волны . В этом случае отражение становится направленным , а амплитуда эхосигналов еще больее возрастает .В реальных биологических средах присутствуют обычно все три типа отражателей . Границы органов и тканей , стенки сосудов являются зеркальными отражателями , внутренние структуры органов и тканей - диффузными отражателями I и II типов .Ниже приведены коэффициенты отражения ( % ) границ раздела некоторых тканей .Кровь - мышцы 1,5Вода - мозг 3,2Кровь - жир 7,9Печень - камни 17,0Мышца - кость 64,6Вода - мягкие ткани 2,9 - 6,6Воздух - мягкие ткани 99,96 Введя в формулу для расчета коэффициента отражения значение интенсивности ультразвука ( И ) , можно рассчитать интенсивность отражения эхосигнала (ИО).ИО = ИХ ^{( АИ 1 - АИ 2)( АИ 1 + АИ 2)} При этом интенсивность проникновения ультразвука ( ИП ) будет соответствовать разности между интенсивностью излучения и интенсивностью отражения. Например , акустический импеданс воздуха равен 200 rayls , а мягких тканей 1 630 000 rayls . Отсюда следует , что в случае И = 1 Вт \ см ² , ИО составляет 0, 999 Вт \ см ² . Следовательно , интенсивность проникновения ультразвука на границе воздух - мягкие ткани будет равна 0, 001 Вт \ см ^{2. 1.1.2} Закономерности преломления.1. На границе раздела двух сред, в случае если ультразвук распространяется под углом к границе, происходит его преломление(рис.1-2). 2. Угол преломления УЗ-волны не равен углу падения.

1.1.3 Затухание.

Затухание ультразвуковых колебаний происходит в результате расхождения , рассеивания и поглощения. Расхождение ультразвуковых волн происходит в так называемой дальней зоне и лимитируется особенностями датчика (рис.1-3). Рассеивание ультразвука происходит в результате преломления на границе раздела сред. Поглощение связано с затратой энергии ультразвуковых колебаний на нагревание и кавитацию тканей. Затухание (3)= 1/2 х дистанцию (м) х частоту ультразвука (Гц)

1.1.4 Глубина проникновения ультразвука (проникающая способность )

Проникающая способность обратнопропорциональна величине акустического импеданса среды .Чем выше плотность среды,тем больше поглощение и рассеивание .Чем выше частота УЗ, тем меньше проникающая способность, тем легче происходит его затухание .Отразившись от границы раздела сред, ультразвуковой луч вер-нется к датчику через время t.Зная скорость распространения ультра-звука в тканях (1540м/с) и время за которое ультразвук прошел расстояние до границы раздела сред и обратно ( t), можно вычислить расстояние от датчика до объекта (D): D = ^{1540 x t}

1.1.5 Разрешающая способность.

Разрешающая способность ультразвука характеризуется минимальным расстоянием между двумя точками , при котором их еще можно различить. Аксиальное разрешение определяется минимальным расстоянием между двумя точками, расположенными по ходу ультразвукового луча. Латеральное разрешение характеризуется минимальным расстоянием между двумя точками, расположенными перпендикулярно к ходу лучей. Чем выше частота ультразвука, тем выше разрешающая способность. Латеральное разрешение обычно хуже аксиального .

1.1.6 Эффект Допплера.

Назван по имени Кристиана Андреаса Допплера и заключается в том, что частота ультразвукового сигнала при его отражении от дви-жущегося объекта изменяется пропорционально скорости движения лоцируемого объекта вдоль оси распространения сигнала.1.Чем больше скорость движения обьекта,тем больше сдвиг частоты ультразвука.2.При движении объекта в сторону источника излучения, частота отраженного от объекта эхо увеличивается , а при движении объекта от источника излучения - уменьшается(рис.1-4).Таким образом по величине сдвига частоты ультразвука можно определить скорость и направление кровотока:_{V = } ^{f x C,}_{2f x Cos Q}где f-сдвиг частоты ультразвукового сигнала,f-частота посылаемого ультразвукового сигнала,С-скорость распространения ультразвука в среде,Q-угол между направлением ультразвукового луча и направлением кровотока,V-скорость кровотока.Следствия :1.Чем меньше частота ультразвукового сигнала,тем большие скорости кровотока могут быть измерены.Поэтому для доппле- ровского исследования быстрых кровотоков следует выбирать датчик с наименьшей частотой.2.Угол между направлением ультразвукового луча и направлением кровотока не должен превышать 20 градусов.Это диктует необходимость направлять луч при допплеровском исследовании параллельно кровотоку.