УЗ-микроскопия. Коротковские чтения. Орлова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Приволжский исследовательский медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

(ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России)

Ультразвуковая микроскопия

Выполнила:

студентка 138 группы

лечебного факультета

Орлова Виктория Николаевна

Руководитель:

ассистент кафедры медицинской

физики и информатики

Соколова Ксения Александровна

Нижний Новгород, 2018

Актуальность темы. С момента своего возникновения акустическая микроскопия рассматривалась как перспективный метод изучения и неразрушающего контроля микроструктуры локальных свойств твердых тел. Однако, вплоть до последних лет реальная область ее применения была ограничена, поскольку разрабатывались, в основном, принципы и методы акустической визуализации и характеризации поверхности плоских образцов, которые не в состоянии конкурировать с оптическими электронно-микроскопическими методами. Отношение к акустической микроскопии принципиально меняется, когда речь идет об изучении внутренней структуры в объеме образцов, поскольку имеется значительное число сред - непрозрачные, проводящие среды и т. д., для которых такое изучение возможно только методами акустической микроскопии.

В связи с тем, что микроскопическое исследование внутренних объемов непрозрачных для световых электромагнитных излучений структур неосуществимо, а использование рентгеновского излучения не дает возможности микроскопических исследований из-за отсутствия фокусирующих устройств для спектра этого излучения, (также обстоит дело при использовании более жестких излучений - альфа- или бета-излучений), то «просвечивание» объектов заменяют их «прозвучиванием» ультразвуковыми волнами - продольного или поперечного типов, которые принципиально не могут распространяться в отсутствии среды. Некоторым неудобством методов «прозвучивания» исследуемых объектов является необходимость визуализации получаемых в звуковом поле результатов.

В настоящее время достаточно полно разработаны принципы акустической микроскопии для визуализации плоских объектов, т. е. поверхностей или слоев. С другой стороны, акустическая микроскопия широко используется для исследования объектов, форма которых близка к сферической (микровключения биологических клеток, микроструктуры глаза и др.). Более того, акустическая микроскопия относится к методам неразрушающего контроля, основным достоинством которых является возможность исследования внутренней структуры объектов без изменения их состояния. Однако к числу факторов, способных вызвать изменения их состояния при облучении его фокусированным ультразвуковым пучком, относятся прежде всего нагрев образца, величина которого может оказаться существенной при изучении, например, фазовых переходов в различных материалах или при исследовании биологических объектов.

Устройство и принцип работы ультразвукового микроскопа. Ультразвуковой микроскоп – это изобретение, которое относится к областям электроакустики и радиотехники и может быть использовано в качестве устройства для послойной визуализации неоднородностей внутренних структур непрозрачных объектов. На данный момент создано множество разновидностей ультразвуковых микроскопов в связи с использованием их в различных областях научных исследований. Ультразвуковая микроскопия использует возможности пространственного разрешения акустических волн с частотами от десятков – сотен мегагерц до единиц гегагерц. При этом длина волны ультразвука в мягких и водосодержащих биосредах соизмерима с исследуемыми структурами. Принцип реализации метода показан на рис. 1.

Рис. 1. Структура метода ультразвуковой микроскопии.

Акустическая микроскопия основана на том, что УЗ-волны, прошедшие, отраженные или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу и др.) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения, восстанавливаемые компьютером на экране дисплея. В зависимости от способа преобразования акустических полей в видимое изображение различают сканирующую лазерную и сканирующую растровую акустическую микроскопию.

Сканирующая лазерная акустическая микроскопия представляет собой разновидность акустической голографии, предназначенную для визуализации малых объектов. При облучении плоской УЗ-волной объекта, помещенного в жидкость, фронт волны после прохождения образца искажается из-за неоднородных фазовых задержек, а амплитуда изменяется в соответствии с неоднородностью коэффициента отражения и поглощения в объекте. Прошедшая волна падает на свободную поверхность жидкости и создает на ней поверхностный рельеф, соответствующий акустическому изображению объекта. Этот рельеф считывается световым лучом лазера и затем воспроизводится на экране дисплея после соответствующих преобразований амплитудно-фазового распределения, сосчитанного световым пучком акустического рельефа.

Рис. 2. Принципиальная схема сканирующего лазерного акустического микроскопа.

Этот метод реализуется в лазерном акустическом микроскопе (рис. 2), где УЗ-пучок, излучаемый преобразователем 1, через звукопровод 2 падает на объект 3, помещённый в иммерсионную жидкость 4, и после прохождения объекта создаёт на границе жидкости рельеф. На поверхность жидкости нанесена полупрозрачная плёнка, которая деформируется вместе с поверхностью. Луч лазера 5 с помощью сканирующего устройства 6 и зеркала 7 перемещается по поверхности плёнки, частично отражаясь от неё. Угол отражения α меняется от точки к точке в соответствии с рельефом, создаваемым акустической волной. Отражённый луч, пройдя зеркало 7 и линзу 8, падает на оптический нож 9, преобразующий угловую модуляцию в амплитудную, и регистрируется фотоприёмником 10. Видимое акустическое изображение возникает на экране дисплея 11, развёртка которого синхронизирована с движением лазерного луча, а яркость управляется сигналом с фотоприёмника. Для сравнения одновременно на другом дисплее 13 получается оптическое изображение объекта за счёт регистрации фотоприёмником 12 прошедшего лазерного луча.

Используемый в сканирующей лазерной акустической микроскопии способ визуализации не позволяет получать высокое разрешение. Такие микроскопы работают на частотах вплоть до нескольких сотен МГц и дают разрешение до 10 мкм. Достоинством таких микроскопов является возможность одновременного получения оптического и акустического изображений для их сравнения.

В сканирующей растровой акустической микроскопии сфокусированный в точку УЗ-пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздается по точкам в виде растра. Сфокусированная УЗ-волна, падая на образец, частично отражается от него, частично поглощается и рассеивается в нем, а частично проходит через него. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна. Эти размеры согласно теории дифракции по порядку равны длине волны УЗ-колебаний в данной среде.

В растровом акустическом микроскопе (рис. 3) пучок плоских УЗ-волн, излучаемых пьезоэлектрическим преобразователем 1, фокусируется акустической линзой 2, которая представляет собой сферическое углубление на границе раздела звукопровода 3 и иммерсионной жидкости 4. Образец 5 помещается вблизи фокальной плоскости линзы и перемещается параллельно ей по двум осям с помощью механического сканирующего устройства 6. УЗ-излучение после взаимодействия с объектом собирается приёмной акустической линзой 7 на приёмном пьезоэлектрическом преобразователе 8. Электрический сигнал с преобразователя управляет яркостью электронного луча, развёртка которого синхронизована с движением образца при его сканировании. В результате на экране дисплея 9 возникает акустическое изображение, которое определяется распределением по образцу его физических свойств (упругости, вязкости, толщины, плотности, анизотропии и др.).

В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустические микроскопы "на отражение", "на прохождение", "тёмного поля". В режиме "на прохождение" выходной сигнал формируется лишь теми лучами, которые проходят через фокус приёмной линзы 7 в иммерсионной жидкости (реальный или мнимый) и соответственно после преломления на её поверхности падают на преобразователь по нормали. Поэтому для получения изображения в прошедших лучах используется т. н. конфокальная система - пара акустических линз, фокусы которых совмещены, как показано на рис. 3. В режиме "на отражение" одна и та же линза используется как для получения фокусированного пучка, так и для приёма УЗ-волн. Акустическое изображение в режиме "тёмного поля" создаётся лучами, рассеянными объектом; для его получения приёмную линзу в конфокальной системе отклоняют от акустической оси системы так, чтобы она собирала рассеянные лучи. Ещё один режим работы акустического микроскопа - нелинейный - можно осуществить, если принимать акустическое излучение не на основной частоте возбуждаемого звукового пучка, а на её гармониках.

Рис. 3. Принципиальная схема сканирующего растрового акустического микроскопа для режима "на прохождение".

Области применения. Ультразвуковая микроскопия нашла широкое применение для контроля сварных швов, клепаных соединений, покрытий в машиностроении; для контроля разводки контактных дорожек, корпусов в микроэлектронике; для оценки качества в производстве конструкционных материалов; в медицине при диагностике материала, используемого в производстве искусственных клапанов сердца, для диагностики и мониторинга различных заболеваний глаза и высокоточной оценки степени вовлеченности анатомических структур в патологический процесс (единственный способ прижизненной визуализации «немых» зон глазного яблока с высоким разрешением), например, в диагностике и мониторинге различных типов иридокорнеального эндотелиального синдрома, для одновременной структурной и функциональной диагностики биотканей (чаще совокупность оптоакустических методов); в научных исследованиях.

Применение ультразвука в офтальмологии с диагностической целью основано на том, что ультразвуковые волны, распространяясь в тканях глаза, претерпевают изменения, обусловленные его внутренним строением. По особенностям распространения акустических волн в глазу исследователь получает информацию о его строении. При диагностическом применении ультразвука в офтальмологии используют также эффект Допплера, позволяющий оценить скорость кровотока в глазничных сосудах.

Заключение. Таким образом, ультразвуковая микроскопия - есть совокупность методов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью ультразвуковых волн. Она включает в себя также методы измерения локальных характеристик упругих и вязких свойств объекта и их распределений по его поверхности или внутри объема. По сравнению с оптическими и рентгеновскими микроскопами ультразвуковая микроскопия дает повышенную контрастность, позволяет наблюдать микробиообъекты в естественной среде обитания. В медицинской лабораторной практике метод получает все более широкое распространение.

Список литературы:

1. Березина С. И., Лямов В. E., Солодов И. Ю., Акустическая микроскопия, "Вестник МГУ. Сер,Физика, Астрономия", 1977, т. 18, № 1, с. 3.

2. Кесслер Л. У., Юхас Д. Э., Акустическая микроскопия, "ТИИЭР", 1979, т. 67, № 4, с. 96.

3. Маслов К. И. АВТОРЕФЕРАТ. МЕТОДЫ ИМПУЛЬСНОЙ ИНКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. М., 1993.

4. Корнеев Ю.А., Коршунов А.П., Погадаев В.И. Медицинская и биологическая физика. М.: Наука, 2001.

5. Петронюк. Ю. С. ОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОПИИ. NDT WORLD REVIEW 4(42) December 2008.

6. Аветисов С.Э., д.м.н., профессор, академик РАМН. Офтальмология. Национальное руководство. ГЭОТАР-Медиа, 2008.

7. Аветисов С.Э., д.м.н., профессор, академик РАМН, директор; Амбарцумян А.Р., к.м.н., старший научный сотрудник. Возможности ультразвуковой биомикроскопии в диагностике и мониторинге различных типов иридокорнеального эндотелиального синдрома. НИИ глазных болезней РАМН, Москва, 2012.

8. Макарова М. С. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. iLab, 25 Июнь, 2013.

9. Субочев П. В.,. Орлова А. Г,. Турчин И. В, член-корреспондент РАН Сергеев А. М.. МЕТОД БИМОДАЛЬНОЙ ОПТОАКУСТИЧЕСКОЙ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ БИОТКАНЕЙ. ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 454, № 4, с. 396–398.

8