РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ МЕДИКО-СОЦИАЛЬНОЙ РЕАБИЛИТОЛОГИИ
И.И. РЕЗНИКОВ, Л.Ф. ПЛИСКО, В.Н. ФЁДОРОВА, Ю.С. АРХАНГЕЛЬСКАЯ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА
В МЕДИЦИНЕ
Курс лекций
Москва 2005
УДК
Рекомендовано Центральными координационно-методическими советами Российского Государственного медицинского университета и Московского института медико-социальной реабилитологии в качестве учебного пособия для студентов.
И.И. Резников, Л.Ф. Плиско, В.Н. Фёдорова, Ю.С. Архангельская
«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ»
Курс лекций
(учебное пособие)
Учебное пособие написано в соответствии с официальной программой по курсу «Медицинская и биологическая физика» и Унифицированной учебной программой дополнительного профессионального образования (повышения квалификации) работников медицинского профиля «Применение медицинской ультразвуковой аппаратуры в различных областях медицины», утверждённой МЗ РФ в 2001 году.
Учебное пособие основано на материале лекций, который используется в учебном процессе Московского института медико-социальной реабилитологии и Российского государственного медицинского университета МЗ РФ. Оно содержит компактное изложение теоретического материала, касающегося физических характеристик ультразвука, его использования в медицине и особенностей взаимодействия с биологическими объектами. Дан также общий перечень физических величин с указанием размерностей, чаще всего применяемых в медицине.
Предназначается для студентов медицинских вузов, а также может быть использовано аспирантами, врачами и специалистами медицинского профиля.
РГМУ, Тираж 500 экземпляров.
Оглавление
Лекция 1
Физические основы ультразвука……………………………………..4
Лекция 2
Механизм действия ультразвука на вещество и биологические ткани……………………………...13
Лекция 3
Получение и приём ультразвука……………………………………….18
Лекция 4
Методы ультразвуковой диагностики…………………………….31
Лекция 5
Ультразвуковые методы в медицине……………………………….40
ЛЕКЦИЯ 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКА
1. Ультразвук
2. Физические свойства ультразвука:
2.1 длина волны, 2.2 дифракция 2.3 интерференция 2.4 интенсивность, 2.5 давление, 2.6 колебательная скорость, 2.7 волновое сопротивление, 2.8 скорость распространения УЗ, 2.9 коэффициент отражения, 2.10 поглощение и глубина проникновения.
1. Ультразвук
Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны в упругих средах в диапазоне частот 2 104 – 1010 Гц.
Верхний предел определяется межмолекулярными расстояниями и зависит от рода вещества, его агрегатного и термодинамического состояния. Верхний предел УЗ колебаний граничит с гиперзвуковыми колебаниями (до 1013 Гц).
2. Физические свойства ультразвука
Сравнительно с размерами исследуемых органов при медицинской диагностике, УЗ имеет малую длину волны и практически не испытывает явления дифракции. Длины волн ультразвуковых колебаний при высоких частотах приближаются к длинам волн света. Так, в воздухе при частоте 108 Гц длина волны ультразвука составляет величину ~30·10-5 см. В то же время длины волн электромагнитных колебаний, воспринимаемых человеческим глазом как свет, лежат в пределах (4-8)·10-5см. Поэтому УЗ пучок, во многих случаях, можно рассматривать как геометрический луч и применять к нему те же законы, которые применяются в геометрической оптике.
2.1 Длина волны уз
Длина волны λ – это расстояние между двумя точками волны, фазы которых отличаются на 2π или расстояние, которое проходит фронт волны за время, равное периоду колебаний Т:
λ = СT,
где С – скорость распространения волны.
Фронт волны может быть плоским или сферическим. В идеальном случае сферическая волна имеет место, если излучатель звука выполнен в виде точечного источника. Однако практически считают, что если радиус излучателя (r) мал по сравнению с длиной волны λ излучаемого им звука, т.е. r << λ, то имеет место сферическая волна. По мере увеличения радиуса излучателя (при заданной частоте) сферическая волна будет переходить в плоскую волну. При условии λ << r образуется плоская волна.
Так, для излучателя диаметром 3 см, работающего на частоте 2 МГц в водной среде, возникает волна с длиной
λ = (15·105)/(2·106) = 0,75 мм,
которую можно считать практически плоской, т.к. отношение радиуса излучателя к длине волны
r/λ = 1,5/(0,75·10-1) = 20.
Следует отметить, что на большом расстоянии от источника, по мере его увеличения, фронт сферической волны все более уплощается и волна практически переходит в плоскую.
В жидкостях и газах УЗ волна может распространяться в направлении колебательного движения частиц, т.е. являться продольной. При распространении продольной волны в среде возникают последовательно области сжатия и разрежения частиц среды (Рис. 1.1.1).
Рис. 1.1.1
Длина волны УЗ значительно меньше длины звуковой волны. Так, например, в воде длина волны при частоте звука 1кГц – 1,4 м, а при частоте УЗ 1МГц – 1,4 мм.
2.2 Дифракция
Если препятствие на пути прохождения волны меньше 1/4 длины волны, то волна от него не отражается и за ним не возникает тени, т.е. наблюдается явление дифракции.
УЗ волна способна отражаться от объектов при условии, что их величина составляет не менее 1/4 длины УЗ волны. «Непрозрачное» тело размером 0,2 м. не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1м, но станет преградой для УЗ волны с длиной 1мм, при этом возникнет отражённая УЗ волна, а за телом возникнет УЗ тень.