Ултразвук - основни положения


Категория на документа: Физика


 Ултразвук - основни положения.

Утразвук УЗ наричаме механичните трептения в дадена материална среда с честоти над 20 kHz. Тези трептения варират от 20 Hz до 20 kHz. В този обхват човешката говорно-слухова система може да генерира и приема механични трептения. Инфразвук е названието на трептения с честоти под 20 Hz. Разстоянието между две еднакви състояния на трептенията се нарича дължина на вълната. Тя зависи от скороста на вълната и трептенията й. Дължината на вълната се измерва в mm, скоростта в m/s, а честотата в MHz. Разпостраняващата се в дадена посока плоска вълна наричаме ултразвуков сноп или лъч. Скоростта на разпостранение на ултразвука зависи от плътността и еластичността на средата. Общата средна стойност за скоростта на разпастранение на вълната в меките тъкани е 1540 m/s. Акустичния импеданс на средата е способността на материала да благоприятства или не преминаването на ултразвукови трептения. Границата между две среди с различен акустичен импеданс представлява отражателна повърхност за ултразвука. Един обект с определен акустичен импеданс, намиращ се в среда с друг акустичен импеданс, се характеризира с т. нар. ехогенност, т. е. свойството му да се вижда чрез ултразвук поради отразяването му. Интензитетът на ултразвука се измерва в миливати на квадратен сантиметър (mW/cm2), наречен още плътност на мощността.

Отражение и проникване.

При перпендикулярно попадане на ултразвуков лъч върху разделителна равнина между две среди с различни акустични импеданси се получава отражение (рефлексия) и проникване (трансмисия). Част от интензитета на лъча се връща в първата среда, а друга част прониква във втората среда. Съотношенята на тези интензитети се наричат коефициент на отражение (за рефлексията) и трансмисионен коефициент (за трансмисията). Попадането на ултразвуковия лъч под ъгъл спрямо разделителна равнина показва, че ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение. Тук също се наблюдава трансмисия във втората среда, но под определен ъгъл и това се нарича рефракция. Главното свойство на ултразвука, използвано в медицинската апаратура е отражението. Лесно се получават отразени вълни от кости и въздушни или газови включвания, но проникването зад такива структури е почти невъзможно. Меки тъкани с малки разлики в плътностите се различават доста трудно.

Разсейването е вид отражение от неравна повърхност. Падащият лъч среща неравностите под различни ъгли, в следствие на което отразените лъчи имат различни посоки.

Дифракция: При попадане на УЗ лъч върху разделителна повърхност между две среди, чиито размери са по-малки от дължината на вълната се получава раздвояване на лъча.

Абсорбцията е поглъщане и преобразуване на УЗ енергия в друг вид енергия (топлина).

Затихването е комбиниран ефект от абсорбция и разсейване.

Честотен обхват.

Ултразвуковите трептения, използвани в апаратурата, могат да имат различни честоти в зависимост от предназначението им. Честотата се подбира в зависимост от желанието за изследване на обекти с определен размер и необходимостта от проникване в дълбочина, където са разположени. Най-често използваните честоти на УЗ за медицински цели са в границите от 2MHz да около 10 MHz. Съвременните апарати работят и при по-високи честоти, с оглед откриването на малки обекти, които лежат дълбоко и отразяват по-слабо сигнала. В офталмологията се използват апарати с честоти от 20-40 MHz, чрез които може да се измери дори дебелината на роговицата.

Генериране и приемане на ултразвук.

Пиезоелектричен ефект: Всяко тяло, което трепти с честота над 20 kHz, излъчва ултразвукови трептения, а всяко тяло, което може да трепти под въздействието на ултразвук е приемник на ултразвук. Материали с определена кристална структура притежават пиезоелектричен ефект. При определени условия този ефект позволява трансформиране на механичната енергия в електрична (прав пиезоелектричен ефект) и обратно - трансформиране на елекричната енергия в механична (обратен пиезоелектричен ефект). Такива материали (пиезоелектрични кристали) са оловно-циркониев титанат, бариево-оловен титанат, бариево-оловен цирконат и др.

Монокристалният преобразувател е основно устройство за генериране и приемане на УЗ. Той представлява диск от пиезоелектричен кристал и електроди от двете му страни. При подаване на електрически импулс между електродите, кристалът изменя формата си като се разширява или стеснява. Кристалът е монтиран в корпус, от който излиза кабел. Зад кристала се намира силно поглъщащ за паразитните вълни материал, а пред кристала се намира лицев материал, в който загубата на сигнала е минимална. Елементите на преобаразувателя, като кристал, подложка, лицев слой, бобина и извод за кабел са поместени в специална конструкция, наречена УЗ преобразувател, сонда или transducer. Не трябва да се допуска наличие на въздушни включвания между лицевия материал и тъканта, защото импедансът на въздуха е доста различен от импеданса на изследваните тъкани и ще се получи силно отражение на УЗ и загуба на полезна енергия. Поради това между сондата и кожата се поставя гел, чрез който се елиминират въздушните колекции. При контакт с роговица се поставя специално масло с анесететична съставка. Възбуждането на кристала настъпва чрез прилагането на кратък електрически импулс (µs). От трептенията на кристала при това възбуждане се получава механична вълна (вълнов импулс).

Диаграма на насоченост (профил на лъча) на преобразоувателя е графично изображение на намалението на ултразвуковия интензитет в страни от централната ос на лъча. По протежението на лъча се установяват две зони: близка (зона на Fresnel) и далечна (зона на Fraunhofer). Близката зона се характеризира с добре фокусиран лъч, с цилиндрична форма. Далечната зона се характеризира с дивергенция - лъчът става все по-широк.

Разделителна способност

Формата на ултразвуковия лъч определя разделителната способност при разграничаване на обекти чрез отразен вълнов импулс. Аксиална разделителна способност наричаме минималното разстояние по остта на лъча (при дълбочина на проникване) между два обекта, при което се отразяват две отделни вълни. Импулсът попада върху първия обект и докато отразената вълна, наречена ехо съществува, той ще се придвижи до и до втория обект, от който ще се получи ново ехо. Така двете еха ще се слеят и разделителната способност ще е ниска. Страничната (латерална) разделителна способност е минималното разстояние между два обекта в равнина, перпендикулярна на лъча, при което единият обект е в зоната, а другият е извън нея.

Видове сканиране

Амплитудно сканиране и визуализация (А скан или А-режим)

Използва се монокристален преобразувател. Същността на режима се състои в генериране на пулсова вълна и визуализация на амплитудите на отразените сигнали. Преобразувателят се възбужда от кратък електичен импулс и генерира пулсова вълна, която незабавно преминава в режим на приемане. Ултразвуковият лъч е насочен към тялото на пациента, като лицевата част на сондата е приложена към изследвания участък. Всички структури с различни акустични импеданси по протежението на лъча предизвикват отражения (еха), които постъпват в кристала и се преобразуват в електрически сигнали. Тези сигнали се усилват от приемник и се подават на осцилоскоп. Амплитудите на отразените сигнали зависят от отразяващата способност на съответните структури, т. е. от т. нар. ехогенност, и от положението им в дълбочина. Електронният лъч на осцилоскопа се движи от ляво на дясно. Интерпретацията на А-скан образите изисква точно познаване на изследваните структури, защото образите не са анатомични. Въпреки, че А-скан методът е най-старият в медицинската диагностика, той се прилага в офталмологията за измерване дебелината на роговицата и локализирането на чужди тела, като се използват сонди с честота от 20-30 MHz. Другото приложение на А-скан е изследването на фронталните и максиларните синуси, което се провежда чрез сонда с честота от 2 MHz. Ако синусите са пълни само с въздух (нормален статус), не може да се получи ехо от задната стена поради силно различаващите се акустични импеданси на въздуха и костта. Ако синусът е изпълнен с течна материя, то тогава се получава ехо от задната стена.

Сканиране и визуализация в М-скан (М-режим)

Режимът А-скан може да се модифицира с цел изследването на движещи се структури. Необходимо е осцилоскопът да бъде дигитален, така че всички сканирани линии да остават на екрана до края на изследването. Движението на обекта се изобразява като функция от времето и поради това методът се нарича М-скан или М-режим (Motion). М-образът не е двумерен, а едномерен и разгънат във времето. М - сканирането е въведено за изследване на сърдечните клапи.

Двумерно сканиране и визуализация В-скан

Обектът се сканира с помощта на монокристален преобразувател, като се генерира първи вълнов импулс насочен към обекта. След това се генерират нови импулси, изпращат се нови лъчи, като сондата се придвижва в изследваната област и се получава сканиране в една равнина. Изследваният обект се възпроизвежда на екрана като образ с по-ярки области там, където ехогеността на обекта е по-голяма, а образът е двумерен. Когато сканираме обекта без да преместваме сондата, а само като използваме осцилосцирането й около точката на контакт с кожата, се получава ветрилообразно сканирана равнина и тук се говори за секторен В-скан.

Сканиране в реално време

Сканирането в реално време се реализира чрез бързото му повтаряне с честота от около 20-30 пъти в секунда, което позволява изобразяването на подвижни структури. При линейното сканиране са използвани трансдуцери с обхват от 10-15 cm, което е създава редица неудобства. Поради това е създадено секторното сканиране. Секторното сканиране възпроизвежда точно изследваните обекти, тъй като към обекта се насочват голям брой лъчи. Недостатък на метода е нееднаквата латерална разделителна способност, както и трудното сканиране на повърхностно разположени обекти, за разлика от линейното сканиране.

Многоелементни преобразуватели с електронно сканиране



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Ултразвук - основни положения 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.