2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

Что умеет ультразвук?

2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

Окончание. См. № 23/2009

Эхолокация в медицине

В отличие от рентгеновских и ЯМР-томографов (а также первых «просветных» УЗ-приборов) современные приборы для УЗ-исследования органов (УЗИ) работают в таком же режиме, как и их аналоги в технической диагностике, т.е.

обнаруживают границы раздела сред с различными акустическими характеристиками [2]. Различие между свойствами мягких тканей не превышает 10%, и лишь костные ткани дают почти 100%-ное отражение.

Таким образом, почти всё богатство информации, получаемой медицинскими УЗ-приборами, заключается в анализе этих слабых сигналов.

Принцип действия одномерного измерителя толщины жировой прослойки и получаемая эхограмма

Одно из первых применений одномерной локации в медицине – УЗ-эхоэнцефалоскоп. Идея его проста: получают эхограммы внутричерепных структур при зондировании головы в височной области слева и справа. Появление внутричерепных повреждений (гематом, опухолей) приводит к нарушению симметрии эхограмм, и таких пациентов легко выделить и направить на более детальное и дорогостоящее обследование [3].

Применение ультразвука в кардиологии привело к развитию важной для УЗИ технологии – представления эхограммы в координатах глубина-время, когда амплитуда сигнала представляется уровнем серого.

Это позволило начать систематические неинвазивные исследования движения внутренних структур сердца и крупных сосудов и получить новую важную физиологическую информацию.

Например, было доказано, что поперечное сечение аорты не меняется, как предполагали раньше врачи.

Одномерные эхокардиограммы различных структур сердца в координатах глубина-время [3]

Первые кардиологические приборы были одномерными, и для исследования различных структур приходилось поворачивать датчик под разными углами. Впоследствии удалось автоматизировать этот процесс, и современные УЗ-приборы стали эхотомографами, т.е.

позволяют получать двумерные сечения исследуемой области организма и наблюдать за быстрым движением структурных элементов сердца – клапанов, перегородок. В случае же неподвижных структур всё гораздо проще.

Первые УЗ-томограммы были получены, когда не было сложной электроники и компьютеров, правда, для этого приходилось погружать человека в ванну с водой и обходить с одномерным датчиком по кругу.

Сейчас применяют методы интерференции колебаний от множества маленьких элементов, позволяющих управлять направлением УЗ-пучка. Такое УЗ-исследование (УЗИ) органов и тканей стало обычной процедурой, несопоставимо более дешёвой, чем другие виды томографии.

Слева: прохождение ультразвука от одномерного УЗ-прибора через структурные элементы сердца; справа: пример двумерной эхокардиограммы

В то же время остались частные применения одномерной УЗ-локации. Одним из них является измерение толщины жировой подкожной прослойки, что позволяет оценивать показатель степени ожирения, например BFI [4]. Этот метод реализован в приборе Bodymetrix2000 – совместной российско-американской разработке, который сейчас применяется в салонах красоты и фитнес-клубах по всему миру.

Первая УЗ-томографическая установка и полученная на ней томограмма

Пожалуй, наиболее интересными из сложных современных приборов для УЗ-медицинской диагностики являются трёхмерные системы.

В этих системах УЗ-пучок поворачивается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а принятые эхосигналы обрабатываются так, чтобы получить изображение сплошной поверхности объекта, находящегося внутри организма человека, будь то внутренний орган или эмбрион.

Если сбор и обработка информации происходят достаточно быстро, то можно наблюдать за движением объекта в реальном масштабе времени, например, изучать поведение ещё не родившегося ребёнка, его реакции и т.п. Пожалуй, единственный вопрос здесь – обеспечение безопасности, т.е. поддержание интенсивности УЗ-излучения на уровне 50–100 мВт/см2.

Слева: трёхмерное УЗ-изображение ребёнка в утробе матери: справа: фото новорождённого

Ультразвуковая терапия и хирургия

Как и другие виды волн, ультразвук поглощается при распространении в вязкоупругой среде. Поглощённая энергия вызывает нагрев мягких тканей, который можно использовать для целей физиотерапии. В отличие от обычных источников тепла прогрев происходит за счёт поглощения ультразвука внутри тканей, а не за счёт их теплопроводности.

Отличие от нагрева СВЧ-излучением заключается в направленности УЗ-пучка, т.к. длины волн ультразвука существенно короче. Поглощение ультразвука быстро растёт с увеличением частоты, что позволяет довольно сильно прогревать локальные участки тела, например, злокачественные опухоли.

Интенсивность терапевтического ультразвука не превышает 3 Вт/см2.

В одной области физиотерапии, по-видимому, ультразвуку нет конкурентов. Речь идёт о лечении угревой сыпи и ряда сходных заболеваний. До сих пор ни один из методов лечения не дал 100%-ной гарантии выздоровления. Пожалуй, наиболее эффективным является обычный нагрев подкожной области на глубинах до 4–5 мм, когда пузырёк с выделениями сальной железы и бактериями просто вскипает и высушивается.

Поверхностный нагрев приводит либо к ожогу, либо к увеличению длительности одной процедуры до нескольких минут. Лазерный нагрев оказывается неэффективным из-за сильного рассеяния оптического излучения в коже. В 2007 г. появились УЗ-приборы, работающие в диапазоне 15–20 МГц, которые показали хорошие результаты при клиническом тестировании и вскоре должны выйти на рынок косметических товаров [5].

Ещё более мощный ультразвук приводит к разрушению сплошной структуры мягких тканей.

Это явление лежит в основе действия УЗ-скальпелей, позволяющих получать бескровный разрез (повреждённая кромка ткани запекается под воздействием УЗ-волны), что очень важно для многих хирургических операций.

Но можно воспользоваться тем, что ультразвук довольно легко фокусируется, например, с помощью вогнутых излучателей, формирующих сходящийся волновой фронт.

При этом вблизи поверхности тела интенсивность ультразвука не превышает диагностический уровень, а в фокусе достигает огромных значений, что позволяет, например, дробить камни в почках, не нарушая целостности окружающих тканей. В перспективе может быть создан хирургический инструмент для внутриполостных операций без разреза поверхности, работающий под управлением двумерного или трёхмерного эхолокатора.

Ультразвуковые скальпели

Мощный ультразвук в технике

Мощный ультразвук замечателен тем, что частицы среды, в которой распространяется волна, колеблются с весьма значительными скоростями и ускорениями. Это приводит к тому, что можно прикладывать к среде такие внутренние силы, которые будут существенно влиять на её однородность.

Одним из замечательных примеров такого воздействия является получение однородных субстанций из составляющих, которые невозможно смешать никакой механической системой. В качестве примера приведу смесь воды с трансформаторным маслом, полученную в одной из лабораторий ИПФ РАН.

В природе эти вещества не смешиваются: если взбить такую смесь с помощью мешалки или миксера, можно получить среду, которая будет казаться однородной, однако в покое она достаточно быстро расслаивается на исходные компоненты.

Смесь тех же веществ, взбитая с помощью мощного низкочастотного ультразвука, простояла в банке на столе больше года без расслоения.

Такие перемешивающие системы могут найти применение для получения однородных взвесей, содержащих вещества с большой удельной поверхностной энергией, например, углеродные нанотрубки.

При размешивании порошка нанотрубок в воде они слипаются в большие комки, которые уже ничем не разбиваются. Воздействие мощного ультразвука приводит к появлению суспензии, однородной на микроскопическом уровне (см.

видеоролик на сайте одного из производителей этой техники – немецкой фирмы Hielscher [6]).

Ещё один пример изменения структуры жидкости под действием ультразвука – дробление её на капли с образованием аэрозоля, например, лекарственного средства для ингаляции.

Для этого УЗ-излучатель в виде вогнутого сферического сегмента помещают на дно чашки с контактной жидкостью (водой), а сверху помещают маленькую чашечку из звукопрозрачного материала, в которую налито распыляемое вещество, причём высота чашечки подбирается так, чтобы геометрический фокус оказался вблизи верхней границы вещества.

С помощью таких ингаляторов удаётся получать капли с характерными размерами 1–10 мкм. Наблюдая за облаком капель, можно оценить их размеры, подобно тому, как это делается в опыте Милликена [7]. Например, в медленно оседающем тумане (скорость оседания 1 мм/с) радиус капли составляет 3 мкм. Один из первых УЗ-ингаляторов был разработан сотрудниками НИРФИ (г.

Нижний Новгород) в конце 60-х гг. прошлого века и выпускается до настоящего времени нижегородским предприятием «Салют» (хотя электронная начинка ингалятора существенно изменилась за эти 40 лет, конструкция УЗ-излучателя осталась практически неизменной).

Очень интересное явление, которое можно наблюдать при распространении мощного ультразвука в жидкости, – разрыв сплошной среды и образование кавитационных пузырьков.

Теоретически пороговое напряжение разрыва однородной жидкости может достигать 108 Па, экспериментальные же значения, полученные в специально очищенной воде, почти на порядок меньше. Но если не принимать специальные меры, то разрыв воды происходит уже при 5 ·104 Па из-за наличия в ней растворённого газа.

Появляющиеся газовые пузырьки начинают расти, а затем совершают сильно нелинейные колебания. Наука о колебаниях газовых и паровых пузырьков – почти самостоятельная область знаний, в которой открыто очень много интересного.

Например, в фазе сжатия давление и температура внутри пузырька могут достигать огромных значений, приводя к образованию плазмы. При температурах порядка 104–105 К возникает свечение, которое известно давно и носит название сонолюминесценции (были даже идеи получения «холодного термояда» в дейтерированном ацетоне [8]).

При схлопывании пузырька вблизи поверхности твёрдого тела возникают ударные волны и кумулятивные струи, которые могут приводить к разрушению поверхности (результат такого воздействия показан на фото).

Иногда такое кавитационное разрушение можно применять с пользой, например, дробить зубной камень или вообще заменить обычную бормашину ультразвуковой. Это же явление лежит в основе работы ультразвуковых моек замасленных деталей и беспорошковых стиральных машин, которые оказываются весьма эффективными, но, к сожалению, способствуют разрушению очищаемого материала при многократной стирке.

Ультразвук и передача информации

Существование видов животных, способных воспринимать ультразвук, было открыто одновременно с самим ультразвуком (вспомните свисток Гальтона). Оказалось, что огромное количество биологических видов чувствительно к ультразвуку, по крайней мере в диапазоне 20–40 кГц.

Это давно научились использовать для отпугивания грызунов (крыс, мышей), птиц, насекомых, собак. Однако не всё так просто. Например, грызуны достаточно быстро привыкают к наличию помехи, и приходится усложнять такие системы – в них частота и вид передачи ультразвука (длительность и период следования импульсов) делают случайными.

Да и системы отпугивания насекомых иногда имеют прямо противоположный эффект, если выбрать неправильную частоту.

Гораздо более интересное открытие было сделано позднее – некоторые биологические виды не только чувствительны к ультразвуку, но могут его излучать и использовать для обнаружения целей и препятствий.

Наиболее известны здесь летучие мыши и дельфины, издавна использующие физические и информационные принципы, которые человек научился применять лишь недавно.

Например, долгое время оставалось загадкой, как летучая мышь может обнаруживать в темноте тонкие проволочки, натянутые в комнате (такие эксперименты проводил Р. Вуд).

Впоследствии оказалось, что мозг летучей мыши проводит сложнейшую обработку информации, накопленной не за один цикл передачи-приёма звука, а за множество циклов при движении животного (такая процедура в радиолокации называется апертурным синтезом), увеличивая разрешающую способность своего «локатора» во много раз. Не исключено, что некоторые виды используют ультразвук и для передачи информации.

Говоря об информационных возможностях УЗ-волн, нельзя не упомянуть ещё одно интересное применение мощного фокусированного ультразвука: передачу речевой информации путём прямого воздействия на слуховой нерв. Пионерские исследования в этой области были начаты в 80-е гг. прошлого века проф. Л.Р. Гавриловым (г. Москва).

Идея заключалась в следующем: высокочастотный (100–200 кГц) сигнал модулируется по амплитуде низкочастотным речевым сигналом и подаётся на фокусированный УЗ-излучатель, возбуждая модулированную волну. Излучатель прикладывается к поверхности головы так, чтобы фокус находился в области, где проходит слуховой нерв.

При этом было обнаружено, что слуховой нерв становится «детектором», и человек начинает слышать модулирующий речевой сигнал. Конечно, этот метод может помочь не всем глухим людям, а лишь тем, глухота которых связана с нарушениями подвижности механической части слухового аппарата.

Тем не менее эта технология в настоящее время применяется достаточно широко во всём мире.

Заключение

Очевидно, рассказать всё об ультразвуке невозможно даже на ста страницах. Высокочастотная акустика продолжает развиваться, и если читатель откроет сборник трудов XIX сессии Российского акустического общества, состоявшейся в сентябре 2007 г.

в Нижнем Новгороде [9], он найдёт много нового.

Ведь в моём кратком обзоре не нашлось места нелинейной акустике, применению эффекта Доплера, акустическому тепловидению, оптоакустике и акустооптике… Поэтому на вопрос «Что умеет ультразвук?» я бы ответил: «Всё! А если что-то не умеет, значит, непременно научится!»

Литература

  1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под. ред. И.П. Голяминой. М.: Советская Энциклопедия, 1979.
  2. Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.
  3. Клиническая ультразвуковая диагностика: руководство для врачей: в 2 т. / Под ред. Н.М. Мухарлямова. М.: Медицина, 1987.
  4. Рейман А.М. Ультразвуковой жиромер // Физика-ПС. 2007. № 1. с. 37–38. (Издат. дом «Первое сентября»).
  5. Рейман А.М. Ежедневно вместо мыла… // Физика-ПС. 2007. № 24. с. 33–34. (Издат. дом «Первое сентября»).
  6. Hielscher – Ultrasound Technology [Электронный ресурс] URL: http://www.hielscher.com/ultrasonics/nano_03.htm (дата обращения 23.11.2009).
  7. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободской Б.А. Физика. Электродинамика. 10–11 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. М.: Дрофа, 2002. с. 111–112.
  8. Nuclear Emissions During Self-Nucleated Cavitation / R.P. Taleyarkhan [et al.] // Phys. Rev. Letts, 96, 034301, 2006.
  9. Сб. трудов XIX сессии РАО: в 3 т. М.: ГЕОС, 2007.

Источник: https://fiz.1sept.ru/articles/2009/24/14

I.2. Принципы эхолокации

2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

Система ориентирования в пространстве

Направление:

Исполнитель: ученик 10 класса Дмитрий Тюкалов

Руководитель: Аминов Евгений Витальевич

https://www.youtube.com/watch?v=NIRCkWaysjE

учитель физики

высшей категории

Оглавление

Введение. 3

Глава I. Эхолокация. 4

I.1. История. 4

I.2. Принципы эхолокации. 4

I.3. Способы применения. 5

I.5. Принцип замеров. 12

I.6. Виды приборов. 13

Глава II. Arduino. 14

II.1. Применение. 14

II.2. Язык программирования. 14

II.3. Отличия от других платформ. 14

Заключение. 18

Список литературы и Интернет-источников. 18

Приложение. 19

Введение

В наше время люди постепенно разрабатывают устройства, которые облегчают нашу жизнь. И конечно без ориентирования они бы были неполноценны.

В данной работе мы подробно рассмотрим один из видов ориентирования – эхолокация.

Объектом моего исследования является ориентирование по способу эхолокации, который мы рассматриваем на примере автономного устройства, созданного на базе Ардуино. Проблема же состоит в том удобен и эффективен ли он.

Целью данной работы стало: выявление плюсов и минусов ориентирования по принципу эхо локации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить суть явления.

2. Исследовать автономное устройство Ардуино.

3. Создание устройства.

4. Написание программы.

5. Тестирование в различных условиях.

6. Найти достойное применение.

Данная проблема не разрабатывалась в прошлом, но само явление эхо локации было рассмотрено Пьером Кюри в 1880 г., а применение её в жизни стало возможны благодаря Александру Бему в 1912 году. Он создал первый в мире эхолот.

Я предполагаю, что ориентирование по принципу эхо локации весьма эффективно и сможет помогать людям в опасных для жизни ситуациях.

Глава I. Эхолокация

Я бы хотел начать из далека, а именно с определения:

Эхолокация (эхо и лат. locatio — «положение») — способ, при помощи которого положение объекта определяется по времени задержки возвращений отражённой волны. Если волны являются звуковыми, то это звуколокация, если радио — радиолокация.

I.1. История

Эхолокация как явление в робототехнике и механике пришло из биологии. Её открытие связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате, не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими.

Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором залепил воском уши летучих мышей, — и зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху.

Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя — короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.

Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц.

Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука.

I.2. Принципы эхолокации

Эхолокация начинается с ультразвука, так узнаем же о нём побольше.

Как и многие другие физические явления, УЗ-волны обязаны своим открытием случаю. В 1876 г.

английский физик Фрэнк Гальтон, изучая генерацию звука свистками особой конструкции (резонаторов Гельмгольца), носящими теперь его имя, обнаружил, что при определённых размерах камеры звук перестаёт быть слышимым.

Можно было предположить, что звук просто не излучается, однако Гальтон сделал вывод, что звук не слышен потому, что его частота становится слишком высокой. Кроме физических соображений, в пользу этого вывода свидетельствовала реакция животных (прежде всего собак) на применение такого свистка.

Очевидно, что излучать ультразвук с помощью свистков можно, но не слишком удобно. Ситуация изменилась после открытия пьезоэффекта Пьером Кюри в 1880 г., когда появилась возможность излучать звук, не продувая резонатор потоком воздуха, а подавая на пьезокристалл переменное электрическое напряжение.

Однако, несмотря на появление достаточно удобных источников и приёмников ультразвука (тот же пьезоэффект позволяет преобразовывать энергию акустических волн в электрические колебания) и на огромные успехи физической акустики как науки, связанной с такими именами, как Уильям Стрэтт (лорд Рэлей), ультразвук рассматривался в основном как объект для изучения, но не для применения.

I.3. Способы применения

Следующий шаг был сделан в 1912 г., когда всего через два месяца после гибели «Титаника» австрийский инженер Александр Бем создал первый в мире эхолот. Представьте себе, как могла измениться история! С этих пор и до настоящего времени УЗ-гидролокация остаётся незаменимым инструментом для надводных и подводных кораблей.

Ещё один принципиальный сдвиг в развитии УЗ-техники был сделан в 20-е гг. XX в.

: в СССР были проведены первые эксперименты по прозвучиванию сплошного металла ультразвуком с приёмом на противоположном краю образца, причём регистрирующая техника была устроена так, что можно было получать двумерные теневые изображения трещин в металле, подобные рентгеновским (трубка С.А.Соколова). Так началась УЗ-дефектоскопия, позволяющая «увидеть невидимое».

Очевидно, что применение ультразвука не могло ограничиться лишь техническими приложениями. В 1925 г. выдающийся французский физик Поль Ланжевен, занимавшийся оснащением флота эхолотами, исследовал прохождение ультразвука через мягкие ткани человека и воздействие ультразвуковых волн на организм человека. Тот же С.А.Соколов в 1938 г.

получил первые томограммы руки человека «на просвет». А в 1955 г. английские инженеры Ян Дональд и Том Браун построили первый в мире УЗ-томограф, в котором человек погружался в ванну с водой, а оператор с УЗ-излучателем и УЗ-приёмником должен был обходить объект исследований по кругу.

Они же впервые применили к человеку принцип эхолокации и получили не просветную, а отражательную томограмму.

Следующие пятьдесят лет (практически до наших дней) можно охарактеризовать как эпоху проникновения ультразвука во всевозможные области технической и медицинской диагностики и применения ультразвука в технологических областях, где он позволяет сделать зачастую то, что невозможно в природе. Но об этом подробнее.

Пожалуй, наиболее важным применением эхолокации в технике является неразрушающий контроль конструкций (металлических, бетонных, пластмассовых) для выявления в них дефектов, вызванных механическими нагрузками.

В простейшем случае дефектоскоп – это эхолокатор, на экране которого отображается эхограмма. Перемещая УЗ-датчик по поверхности контролируемого изделия, можно обнаруживать трещины.

Обычно дефектоскоп снабжается набором УЗ-преобразователей, позволяющих вводить ультразвук в материал под разными углами, и звуковой сигнализацией превышения порога отражённым эхосигналом.

Среди металлоконструкций наиболее важным объектом неразрушающего контроля являются железнодорожные рельсы. Несмотря на значительные успехи внедрения средств автоматики, на железных дорогах России наиболее распространён ручной контроль. Многоканальный эхолокатор устанавливается на съёмную тележку, которую толкает оператор.

УЗ-датчики устанавливаются в лыжи, скользящие по поверхности катания рельсов. Для обеспечения акустического контакта на тележке устанавливаются баки с контактной жидкостью (летом – вода, зимой – спирт). И шагают тысячи операторов по всем железным дорогам, толкая тележки, в снег и дождь, в жару и мороз…

Требования к конструкции аппаратуры высоки – приборы должны работать в диапазоне температур от –40 до +50 °С, быть пылевлагонепроницаемыми, работать от аккумулятора. Первые отечественные рельсовые дефектоскопы в СССР были созданы 50 лет назад проф. А.К.Гурвичем в Ленинграде.

Развитие вычислительной техники дало возможность в последнее десятилетие создать автоматизированные дефектоскопы, позволяющие не только обнаружить дефект, но и записать всю эхограмму пройденного пути для просмотра информации, её хранения и дальнейшего анализа в специальных центрах.

Один из таких приборов – АДС-02 – был создан сотрудниками нашего ИПФ РАН совместно с фирмой «Медуза» и выпускается серийно Нижегородским заводом им. М.Фрунзе.

К настоящему времени более 300 приборов работают на российских железных дорогах, помогая обнаруживать в год по несколько тысяч так называемых острых дефектов, каждый из которых может стать причиной крушения. За применение современных компьютерных технологий дефектоскоп АДС-02 получил в 2005 г. 1-е место на международном конкурсе разработчиков встраиваемых систем в Сан-Франциско (США).

УЗ-толщиномеры применяются для непрерывных измерений толщины листа (стального, стеклянного) при производстве, а также толщины объекта, к которому имеется доступ лишь с одной стороны (например, толщины стенки ёмкости или трубы).

Здесь зачастую приходится иметь дело с очень малыми задержками, поэтому для повышения точности измерений применяют зацикливание эхолокатора: первый принятый эхосигнал сразу же запускает передатчик для излучения следующего импульса и т.д.

, при этом измеряют не время задержки, а частоту запуска.

Эхолоты, развитие которых началось почти сто лет назад, используются сейчас на самых разнообразных объектах, от надводных и подводных военных кораблей до надувных лодок рыбаков-любителей.

Применение компьютеров позволило не просто отображать на экран эхолота профиль дна, но и распознавать тип отражающего объекта (рыба, топляк, сгусток ила и т.п.).

С помощью эхолотов составляются карты профиля шельфа, были обнаружены суточные колебания глубины расположения слоя планктона в океане.

В отличие от рентгеновских и ЯМР-томографов (а также первых «просветных» УЗ-приборов) современные приборы для УЗ-исследования органов (УЗИ) работают в таком же режиме, как и их аналоги в технической диагностике, т.е.

обнаруживают границы раздела сред с различными акустическими характеристиками. Различие между свойствами мягких тканей не превышает 10%, и лишь костные ткани дают почти 100%-ное отражение.

Таким образом, почти всё богатство информации, получаемой медицинскими УЗ-приборами, заключается в анализе этих слабых сигналов.

Одно из первых применений одномерной локации в медицине – УЗ-эхоэнцефалоскоп. Идея его проста: получают эхограммы внутричерепных структур при зондировании головы в височной области слева и справа. Появление внутричерепных повреждений (гематом, опухолей) приводит к нарушению симметрии эхограмм, и таких пациентов легко выделить и направить на более детальное и дорогостоящее обследование.

Применение ультразвука в кардиологии привело к развитию важной для УЗИ технологии – представления эхограммы в координатах глубина-время, когда амплитуда сигнала представляется уровнем серого.

Это позволило начать систематические неинвазивные исследования движения внутренних структур сердца и крупных сосудов и получить новую важную физиологическую информацию.

Например, было доказано, что поперечное сечение аорты не меняется, как предполагали раньше врачи.

Первые кардиологические приборы были одномерными, и для исследования различных структур приходилось поворачивать датчик под разными углами. Впоследствии удалось автоматизировать этот процесс, и современные УЗ-приборы стали эхотомографами, т.е.

позволяют получать двумерные сечения исследуемой области организма и наблюдать за быстрым движением структурных элементов сердца – клапанов, перегородок. В случае же неподвижных структур всё гораздо проще.

Первые УЗ-томограммы были получены, когда не было сложной электроники и компьютеров, правда, для этого приходилось погружать человека в ванну с водой и обходить с одномерным датчиком по кругу.

Сейчас применяют методы интерференции колебаний от множества маленьких элементов, позволяющих управлять направлением УЗ-пучка. Такое УЗ-исследование (УЗИ) органов и тканей стало обычной процедурой, несопоставимо более дешёвой, чем другие виды томографии.

В то же время остались частные применения одномерной УЗ-локации. Одним из них является измерение толщины жировой подкожной прослойки, что позволяет оценивать показатель степени ожирения, например, BFI. Этот метод реализован в приборе Bodymetrix2000 – совместной российско-американской разработке, который сейчас применяется в салонах красоты и фитнес-клубах по всему миру.

Пожалуй, наиболее интересными из сложных современных приборов для УЗ-медицинской диагностики являются трёхмерные системы.

В этих системах УЗ-пучок поворачивается в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а принятые эхосигналы обрабатываются так, чтобы получить изображение сплошной поверхности объекта, находящегося внутри организма человека, будь то внутренний орган или эмбрион.

Если сбор и обработка информации происходят достаточно быстро, то можно наблюдать за движением объекта в реальном масштабе времени, например, изучать поведение ещё не родившегося ребёнка, его реакции и т.п., Пожалуй, единственный вопрос здесь – обеспечение безопасности, т.е. поддержание интенсивности УЗ-излучения на уровне 50–100 мВт/см2.

Источник: https://poisk-ru.ru/s42186t2.html

Что такое эхолокация и где ее применяют?

2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

Нередко мы слышим о каких-то новых или уже привычных изобретениях, которые были созданы величайшими умами человечества, и начинаем восхищаться, каким невероятным образом им удалось совершить действительно стоящее открытие.

Практически всегда мы основываемся именно на силах природы и на законах физики, это открытие для многих. В обычных и вполне обыденных явлениях окружающей действительности скрывается невероятный источник знаний и идей, которые можно применять ежедневно для улучшения качества жизни человека.

Например, связь звука и эхолокации доказала, что даже без зрения можно жить полноценно.

Что такое эхолокация?

Ознакомившись с простым понятием, будет гораздо проще представлять себе, каким именно образом и по какому принципу работают те или иные технические устройства. Как только мы хотя бы краем глаза взглянем на сам термин, можно будет условно выделить целых два «корня», которые и кроют в себе истинный смысл слова. Это слова «эхо» и «локация».

Глядя на слово «эхо», у нас в принципе не может возникнуть каких-то странных, непривычных ассоциаций или значений, поскольку все мы с самого детства сталкивались с этим явлением и умудрялись даже придумать всевозможные игры с ним. Для человека эхо – это лишь буквально повтор им сказанных слов.

Но на самом деле его принцип работы заключается немного в другом, об этом мы успеем поговорить чуть позже. Но все-таки важнейшим элементом эха именно в нашем контексте считается промежуток времени от одного повтора слова до другого. Это важно запомнить и усвоить.

Эхолокация людей основана именно на принципе эха, которое ежедневно помогает им жить полноценной жизнью.

Второй «корень» – локация. Как правило, услышав данное понятие, мы представляем себе что-то, как бы это странно ни звучало, локальное и конкретное. В частности какая-то область на карте. В совокупности с первым понятием это дает уже больше информации.

Таким образом, делая общий вывод, можно сказать, что при использовании эха живой организм на той или иной местности может определять местонахождение, размер и другие параметры всевозможных объектов на его пути.

На таком же принципе построены многие механизмы, работающие при помощи такого природного явления, поэтому можно сказать, что эхолокация в природе и технике тесно переплетаются между собой.

Смотрите видео о том, что такое эхо и эхолокация.

Принцип работы

На самом деле здесь все очень просто и разобраться со сложными на первый взгляд нюансами действительно не составит даже незнающему человеку никакого труда.

Отталкиваться следует от эха – то, без чего явление эхолокации у животных и людей было бы невозможным. Из школьного курса физики каждый из нас знает, что любой звук – это волны, которые с невероятной скоростью разносятся в пространстве. Это касается и эха.

Когда мы что-то говорим, звуковые волны начинают распространяться, при этом активно отталкиваясь от всех объектов и препятствий, стоящих на их пути.

Они могут возвращаться обратно довольно сильными, тогда мы слышим эхо, а могут так «набегаться в лабиринте», что мы вовсе не сможем ничего уловить.

Например, в пустом помещении очень хорошее эхо лишь потому, что отталкиваться там особо не от чего, поэтому волны просто возвращаются назад. А в плотно обставленной комнате все наоборот – объектов настолько много, что волну буквально бросает от одного угла помещения к другому. Можно сравнить эхолокацию с частотой.

Для эхолокации важен период, когда волна отправилась в свободное путешествие, но еще не вернулась. Чем дольше возвращение сигнала, тем дальше расстояние до предмета. Данное правило применяется в эхолокации очень часто.

Эхолокация у животных

На примере живой природы очень легко рассмотреть и понять особенности явления, чтобы позже перейти к более сложным и непонятным простому обывателю «железякам». Ярчайший в живой природе пример эхолокации – летучая мышь. Она издает ультразвук, который и дает ей эхо, помогающее ориентироваться в пространстве и охотиться.

Другие примеры животных-эхолокаторов:

  • дельфины;
  • землеройки;
  • акулы;
  • киты.

На примере их жизнедеятельности можно догадаться или предположить, где применяется эхолокация.

Читайте о том, можно ли найти телефон по GPS.
А также о том, как отследить местоположение телефона.

Эхолокация и её применение

Самый интересный для мужской половины населения вопрос касается применения эхолокации в технике. В особенности это довольно-таки актуальный вопрос для любителей охоты и рыбалки.

Недаром практически каждый рыбак-любитель буквально мечтает о таком нужном и полезном приборе, как эхолот.

С его помощью всегда можно следить за тем, что творится на дне и делать процесс ловли рыбы в разы эффективнее и, безусловно, приятнее. Кто не хочет вернуться к семье с хорошим уловом?

Применяется эхолокация в военном деле, в промышленности, в технике. Приборов, позволяющих производить какие-либо манипуляции с использованием данного физического явления, очень много, и каждый из них помогает людям особых профессий трудиться производительнее и эффективнее.

Где используется эхолокация?

Самые основные отрасли и отделы ее применения уже были рассмотрены в предыдущем пункте, поэтому сейчас лучше поговорить чуть более конкретно и разобрать специальные устройства, используемые во всевозможных областях человеческой деятельности.

  1. Эхолот – самый популярный прибор из всех представленных, часто приобретается рыболовами для изучения дон водоемов, а в частности рельефов, что помогает избежать неприятных ситуаций в процессе рыбной ловли.
  2. Гидролокатор – устройство, которое применяют для непосредственного обнаружения предметов под толщей воды.
  3. Ультрасонограф – при его помощи врачи имеют возможность рассмотреть внутренние органы пациента и их состояние.
  4. Толщинометр – применяется в промышленности для определения толщины покрытий.
  5. Дефектоскоп – аналогично с толщинометром используется в промышленности для того, чтобы выявить дефекты производства.

Источник: https://www.rutvet.ru/chto-takoe-eholokaciya-i-gde-ee-primenyayut-10831.html

Ультразвук в медицине

2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

→ Диагностика заболеваний человека

Первые попытки использования ультразвука в медицине относятся к 40-м — началу 50-х годов. Сначала он был применен для исследования головного мозга, затем — в кардиологии, акушерстве, онкологии и других областях медицины.

В первое время ультразвуковая медицинская диагностика испробовала многие методы промышленной дефектоскопии, которая была уже достаточно развита. Сначала был применен «теневой метод», то есть просвечивание человеческого тела ультразвуковым лучом. Для диагностики пытались использовать промышленные ультразвуковые установки.

Успехи метода на первых порах были скромными, поскольку ультразвуковое просвечивание мозга не могло дать четкой картины. Большая часть ультразвука при этом поглощалась костями черепа.

Только после первых проб импульсного эхолокационного метода в клинике началось быстрое и мощное развитие ультразвуковой диагностики.

В настоящее время большинство современных приборов для медицинской ультразвуковой диагностики основано на принципе импульсной ультразвуковой эхолокации.

В Советском Союзе первые ультразвуковые диагностические приборы для медицинских исследований были созданы в 60-х годах. Вначале это были громоздкие установки, которыми можно было пользоваться только в условиях стационара.

Со временем они усовершенствовались и специализировались.

Так, «Эхоскоп-8» предназначен для обнаружения опухолей и инородных тел, «Эхо-11» — для диагностики заболеваний головного мозга, переносной аппарат «Эхо-12», масса которого всего 10 кг, могут использовать врачи скорой помощи и санитарной авиации.

Основным рабочим инструментом эхографа является датчик, содержащий пьезоэлектрический преобразователь. Он выполняет функции как генератора ультразвуковых импульсов, так и приемника эхо-сигналов, отраженных от внутренних органов. Как правило, каждый датчик генерирует ультразвук одной определенной частоты.

Обычно прибор снабжен различными датчиками с разными частотными характеристиками. Однако они отнюдь не равноценны. Чем короче волна, тем выше разрешающая способность датчика, то есть способность различать более мелкие детали объекта.

Значит, высокочастотные датчики могут дать более подробную картину внутренних органов. В то же время чем больше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука и тем большая часть его энергии поглощается тканями.

Волны высокой частоты нередко не могут проникнуть в грудную клетку взрослого человека и достичь сердца. Из-за этого применение высокочастотных датчиков ограничено. Наилучший эффект они дают при исследовании маленьких детей.

Другая категория больных, требующая специального подхода,— люди с избыточной массой тела. Толстый слой жировой ткани поглощает высокочастотный ультразвук. Приходится, жертвуя качеством исследования, использовать датчики с более низкой частотой.

Рабочие частоты ультразвука при диагностических исследованиях выбирают с учетом всех перечисленных факторов. Диапазон используемых ультразвуковых частот довольно широк: от 0,5 до 15 мГц.

Самые низкие частоты – до 1 мГц применяют при исследовании головы, 1,5-3 мГц – в акушерстве и гинекологии и при изучении внутренних органов брюшной полости, 2-5 мГц — в кардиологии, самые высокие — от 5 до 15 мГц — в офтальмологии и при исследовании костно-суставного аппарата.

Когда ультразвуковой импульс, посланный датчиком прибора, проникает внутрь организма, он пересекает ряд границ между различными средами, отражаясь по-разному от этих границ.

Современные высокочувствительные приборы позволяют регистрировать отраженные сигналы от каждой из этих границ.

Почти полное отражение ультразвуковых волн на границе между воздухом и мягкими тканями (99,95%) препятствует введению ультразвука внутрь тела через воздух.

Чтобы устранить это препятствие, кожу в месте ее соприкосновения с датчиком смазывают специальным контактным гелем, а при его отсутствии — вазелиновым маслом или даже просто водой.

Для визуализации внутренних структур в ультразвуковых диагностических приборах использовались три вида развертки. Первой в хронологическом порядке была применена горизонтальная развертка, дающая одномерное изображение.

Ультразвук при этом посылают в виде изолированного луча, который проникает в глубь тела, пересекая одну за другой внутренние структуры.

От каждой из них часть ультразвуковых волн отражается и возвращается к ультразвуковому датчику-приемнику.

В первых диагностических приборах эхо-сигналы оставляли на экране след в виде всплесков, по амплитуде которых определяли удаленность и характер лоцируемых структур. Этот вид развертки получил название «А-тип» (от английского слова «amplitude» — амплитуда).

В последующих поколениях приборов изображение было модифицировано: всплески эхо-сигналов превращались в светящиеся точки. Если структура расположена ближе к датчику, то точки вспыхивают ближе к верхнему краю экрана. И наоборот — чем она дальше, тем ниже на экране находятся соответствующие ей точки.

Этот метод хорош для визуализации неподвижных внутренних органов. А сердце? Оно ведь все время находится в движении. Точки-отражения его движущихся структур будут все время «плясать» на экране то приближаясь, то удаляясь от основной линии.

Но если их заставить одновременно с сокращениями сердца двигаться слева направо по экрану, то мы увидим уже не точки, а кривые. Это так называемая развертка структур во времени, которая была названа «М-тип» (от английского слова «motion» — движение).

При ней неподвижный объект регистрируется в виде прямой линии, а колеблющиеся структуры— в виде волнистых линий, воспроизводящих их движения. Этот способ изображения широко применяется в кардиологической практике. Его обычно называют одномерной эхокардиографией.

В 1970-е годы был применен другой вид развертки, при которой от датчика посылается не один изолированный луч, а множество лучей, расходящихся под определенным углем. Тогда эхо-сигналы в совокупности образуют на экране сектор, а на нем — двухмерное изображение работающего органа, вернее, его сечение. Изображение состоит из светящихся точек различной яркости.

Поэтому второе, часто встречающееся в специальной литературе, название этого вида регистрации изображения — «В-сканирование» (от английских слов «Brightness» — яркость и «scanning» — развертка).

Еще этот метод называют ультразвуковой томографией, поскольку он позволяет получать изображение продольных и поперечных срезов органов и тканей, а в кардиологии — двухмерной эхокардиографией.

Для сканирования используют не только секторальные, но и линейные датчики. Секторальное сканирование чаще применяют для исследования сердца, а линейное, дающее плоскостное изображение,— для визуализации внутренних органов, расположенных в брюшной полости. Линейное сканирование наиболее широкое применение нашло в акушерстве, гастроэнтерологии, урологии.

В первых эхоскопах изображение, полученное на экране, можно было зафиксировать только посредством фотографирования или киносъемки.

В современных приборах оно может быть зарегистрировано на видеомагнитофоне с последующим покадровым анализом записи, а также на тепловой или фоточувствительной бумаге.

Встроенные в прибор ЭВМ помогают в улучшении качества изображения, выборе его вариантов, анализе полученной информации и ее математической обработке.

Безболезненность и безопасность эхографии для организма человека дают возможность проводить исследование многократно и получать данные о патологическом процессе и динамике.

При помощи ультразвуковой эхолокации можно увидеть внутренние органы, которые не удается рассмотреть при рентгеновском исследовании или удается — только после введения в них специальных контрастах веществ. Например, можно увидеть поджелудочную железу и печень и определить не только их очертание и размеры, но и состояние ткани.

Специалист отличит, имеется ли у больного воспалительный процесс в этих органах, киста или абсцесс.

Без введения контрастных веществ он может увидеть желчный пузырь, убедиться, есть в нем камни или нет, оценить изменения его стенок и функциональное состояние, проверить, имеются ли в желчных протоках камни, препятствующие оттоку желчи из печени. Метод ультразвуковой эхолокации позволяет исследовать почки, мочевой пузырь, мочевыводящие пути.

Ценную информацию он дает также травматологам. При помощи ультразвукового остеометра можно выявить не только переломы и трещины костей, но и минимальные изменения костных структур при функциональном нарушении плотности костной ткани – остеопорозе.

Эхография помогает выявить внутреннее кровотечение и кровоизлияние при закрытых травмах груди и живота. При этом при выпотевании жидкости в брюшную или плевральную полость ультразвук позволяет получить важные данные о количестве и локализации экссудата, а при закупорке крупных кровеносных сосудов — о местонахождении и величине тромбов и эмболов.

Офтальмологам он может помочь точно определить рефракцию глаза и длину его оси, «увидеть» глазное дно, скрытое помутневшим хрусталиком или бельмом на роговице.

При поражениях головного мозга ультразвуковая эхография служит признанным методом диагностики опухолей, абсцессов, травматических кровоизлияний, острых нарушений мозгового кровообращения, инсультов.

Эхография значительно упростила процесс акушерского исследования.

С ее помощью определяют положение, размеры, массу плода, пол, пороки развития, количество плодов, соотношение тканевых структур и органов, состояние плаценты, сердцебиение.

Все эти данные можно получить уже в ранние сроки беременности, а затем, периодически повторяя исследование, следить за развитием плода. На экране можно даже увидеть внутренние структуры сердца плода.

Хотя ультразвук в медицине используется для исследования многих внутренних органов, но только ультразвуковое исследование мозга и сердца выделены в отдельные дисциплины: эхоэнцефалографию и эхокардиографию. А если посмотреть количество публикаций, то по эхокардиографии их чуть не в 10 раз больше, чем по эхоэнцефалографии.

Чем же объяснить такой исключительный интерес к ультразвуковой локации именно сердца? Вероятно тем, что сердце находится в постоянном движении, и подавляющее большинство эхокардиографических приемов и признаков связаны с анализом движения его различных структур — клапанов, стенок полостей сердца и стопок крупных сосудов.

Поэтому получаемая информация здесь гораздо богаче, чем при исследовании неподвижных органов. Эти уникальные данные во многом способствовали развитию научных исследований в кардиологии. Большую ценность они представляют и для клиники.

Сейчас пришло время, когда ультразвуковое исследование при постановке и уточнении диагноза заболеваний сердечно-сосудистой системы становится все более необходимым.

Итак, ультразвук в медицине нашел очень широкое применение, также ультразвук сегодня широко применяется в промышленности, в научных исследованиях, и с каждым годом находит все новые формы применения.

Источник: http://doktorland.ru/ultrazvuk_v_medicine.html

2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине

2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

Внастоящее время такие названия метода,как двумерное и одномерное ультразвуковоеисследование чаще заменяются сокращенныминазваниями А- и В-метод. Применениетерминов, которые имеют в своем составеслова «сканирование» или «томография»допустимо лишь для описания исследованиядвумерным (В) методом.

Прииспользовании других режимов ихнаименование фигурирует в описанииисследования, например: ультразвуковаядопплерография, цветное допплеровскоекартирование, или после названия«сонография», “ультразвуковоеисследование” и др. указывается методего проведения.

Существуютдва принципиальных варианта полученияинформации о внутренней структуреобъекта с помощью ультразвука. Ведущимв настоящее время является методэхолокации, который заключается в приемеотраженных по мере прохождения лучасигналов, их обработке в аппарате ивыводе графической или структурнойинформации на экран.

Отличиетрансмиссионного метода, не нашедшегоширокого применения в медицинскойаппаратуре, (за исключением остеометрическихаппаратов и иммерсионных маммоскопов)состоит в том, что функции передачи иприема сигнала разделены.

Излучательи приемник располагаются друг напротивдруга строго по одной оси, а исследуемыйобъект помещается между ними.

Информация,таким образом, содержится не в отраженномсигнале, а прошедшем через объект пучкеультразвуковой энергии.

Принципэхолокации реализуется на практикеразличными методами, среди которыхпрактически наиболее используемымиявляются: А, В, Dи их разновидности.

А-методполучил название от начальной буквыанглийского слова amplitude(амплитуда). Отраженные сигналывоспроизводятся в виде пиков нагоризонтальной оси экрана аппарата.

Чем более смещено вправо изображенияэтого пика, тем дальше от датчикарасположена зона отражения ультразвуковогосигнала.

Зная скорость распространенияультразвуковой волны в тканях телачеловека, можно определить расстояниедо этой зоны, разделив пополам (так какультразвуковой луч проходит этот путьдважды) произведение времени возвратаимпульса на скорость ультразвука.

Значениеамплитуды на экране аппарата характеризует(качественно, а не количественно, таккак невозможно учесть все потери энергииимпульса на пути до зоны отражения иобратно) разницу в акустической плотноститканей. Тем не менее, амплитуда отраженногосигнала позволяет, в определенной мере,сделать заключение о характере препятствияна трассе ультразвукового луча.

Несмотряна то, что аппарат, работающий в одномерномрежиме, устроен относительно просто, аколичество информации, получаемой сего помощью, ограничено, устройстваэтого типа и в настоящее время успешноприменяются в некоторых областяхмедицины. Датчик аппарата, работающегов одномерном режиме, чаще всего имеетцилиндрическую форму (в виде толстогокарандаша).

В торце его рабочей поверхностирасположен один неподвижный пьезоэлемент.

М-метод(развертка одномерного изображения вовремени). Название этого метода (М)является сокращением английского словаmotion(движение). Иногда метод называется ТМtimemotion(время-движение).

Он был предложен инашел наибольшее применение вкардиологической практике, так какпредназначен для исследования движущихсяструктур. Суть метода легко понять,представив себе, как ультразвуковойлуч из датчика одномерного аппаратапроходит через сердце.

В этом случае наэкране аппарата можно наблюдатьперемещение амплитуд сигналов, отраженныхот стенок камер и клапанов работающегосердца вправо-влево в зависимости отфазы его сокращения. Однако, измерятьсмещения этих амплитуд (т.е.

определятьвеличины колебаний) практическиневозможно, так как изображение нахо­дитсяв постоянном движении.

ВМ-режиме изображение на экране повернутона 90° градусов по отношению к тому, каквоспроизводится А-методом. На экранеоно более соответствует нормальнымпространственным соотношениям: отраженныесигналы откладывается не на горизонтальной,а на вертикальной оси, причем, амплитудаизображается не пиком сигнала, а яркостьюсвечения точки в месте его отражения.

Плоскость,на которую проецируется изображение,смещается во времени, подобно движущейсябумаге прибора с механической записьюпроцесса, например, электрокардиографа.На экране при этом воспроизводитсяграфик перемещения изучаемого объектаво времени. Изображение может бытьостановлено («заморожено») для детальногоизучения и измерений параметров.

Внастоящее время абсолютное большинствоультразвуковых исследований производятсяаппаратами, работающими в режимеВ-метода, название которого происходитот слова brightness(яркость).

Этот метод называется также эхотомографией,методом двумерного ультразвуковогоисследования, или ультразвуковымсканированием и является наиболееинформативным и употребительнымпрактически во всех областях медицины.

Перемещение ультразвукового луча можетпроизводиться по­очередным включениемпьезоэлементов датчика.

Длярегистрации и измерения параметровработы сердца обычно используют двойнойрежим работы аппарата (В+М) Справа наэкране эхотомограмма сердца с изображениемна ней пунктирной линией оси, понаправлению которой в левой части экранавоспроизводится развертка одномерногосигнала во времени.

Такой методсканирования называется электроннымсканированием. Датчик представляетсобой ряд последовательно расположенныхпьезоэлементов.

Каждый из них (как приработе в А-режиме) воспроизводитизображение в виде точек, расположениекоторых на экране соответствуетрасстоянию до зоны отражения, а яркость— амплитуде отраженного сигнала.

Чембольше отдельных элементов будетсодержать датчик и чем меньший размербудет иметь каждый элемент — темкачественнее будет изображение наэкране. Таким образом, двумерноеизображение получается в результатесканирования, то есть перемещения пучкаультразвуковой энергии в одной плоскости,которая называется плоскостьюсканирования.

Сканированиеультразвукового луча может бытьосуществлено и механически. В этомслучае датчик обычно имеет одинпьезоэлемент, который приводится вдвижение микромотором. Способ сканированияназывается в этом случае механическим.

Периодпрохождения импульса до исследуемойобласти тела и обратно к датчику оченьмал. Нетрудно посчитать, что длярасстояния, например, 10 см. он составит0,00013 секунды. За столь короткий промежутоквремени сканирующего перемещенияпьезоэлемента практически не происходити он принимает отраженный сигнал какнеподвижный.

Внастоящее время редко, но все жевстречаются аппараты, в которых датчикперемещается рукой. Этот вариантполучения двумерного изображения носитназвание сложного ручного или компаундногосканирования.

Чтобы его осуществить,необходимо специальное устройство,которое в процессе сканированияобеспечивает перемещение датчика строгов одной плоскости. Любые измененияположения датчика в пределах этойплоскости не ограничиваются.

Датчикаппарата сложного ручного сканированияустроен точно так же, как в одномерномаппарате, то есть в его корпусе имеетсяодин неподвижный пьезоэлемент.

Дляполучения эхотомограммы методом ручногосканирования отраженные сигналыпринимаются и фиксируются в специальномзапоминающем устройстве, где формируетсястатическое, «застывшее» изображение,которое «рисуется» на экране по мереперемещения датчика по поверхноститела. Такое медленное сканирование непозволяет видеть перемещения объекта.При исследовании движущихся объектовэтим методом можно получить значительныеискажения его формы и размеров.

С-метод(фронтальное сканирование). Этот методзаключается в получении двумерногоизображения при перемещении пьезоэлементав плоскости, поперечной его поступательномудвижению (в прямоугольной системекоординат).

Система формированияизображения такого аппарата обрабатываеттолько сигналы, отраженные на однойзадаваемой для каждого томографическогосреза глубине.

Датчик имеет свободуперемещения вперед-назад, вверх-вниз свозможностью наклона луча под разнымиуглами но только в пределах выбраннойплоскости сканирования, которая неможет быть изменена в процессе появленияизображения на экране. После проведениякаждого томографического среза, этаплоскость изменяется на другую перемещением устройства подвескидатчика.

Изображение возникает приперемещении датчика по коже исследуемойобласти и в процессе исследованияавтоматически замораживается.Преимуществом метода является возможностьполучать на экране целиком томографическиесрезы больших площадей. К недостаткамотносится трудоемкость и продолжительностьисследования. Широкого практическогоприменения подобные аппараты не получили.

D-метод(ультразвуковая допплерография). Методультразвуковой допплерографии основанна эффекте, открытом австрийским физикомК.Доплером в 1842 г.

Суть этого эффекта,проявляющегося для волновых колебанийлюбой природы, состоит в изменении длиныволны при ее отражении от движущейсяпреграды. Отражение от препятствия,приближающегося к источнику сигнала,вызывает увеличение частоты исходногоколебания, при удалении — приводит кпонижению частоты.

Измерение частотногосдвига позволяет определить скоростьи направление смещения движущихсяструкту, например потока крови в сосудепо формуле:

∆ f=2 ∆ vcosа/ с

∆ f-допплеровский сдвиг (изменение начальнойчастоты), Гц;

f- начальная частота ультразвуковыхколебаний, Гц;

с- скорость ультразвука в среде, м/с;

v- скорость движения препятствия, м/с;

cosa- угол падения ультразвукового луча.

Сутьметода состоит в том, что отраженныесигналы проходят цифровую обработкуи, в зависимости от направлениядоплеровского сдвига на выбранном иотмеченном участке обычного двумерногоизображения показывается цветомнаправление движения перемещающихсяструктур.

Обычно смещение по направлениюк датчику кодируется красным, отдатчика— синим цветом (артериальный и венозныйпотоки крови). Области турбулентногодвижения маркируются желтым или зеленымцветом, а отсутствие перемещения крови— глубоким черным цветом.

С помощьюцветного доплеровского картированияможно видеть кровообращение на уровнемелких артериальных и венозных сосудови фиксировать даже незначительныепрепятствия кровотоку (сужения сосудов,атеросклеротические бляшки и др.).

Видыи типы ультразвуковых диагностическихустройств.

Всовременной клинической практике широкоприменяются многие виды и типыультразвуковых диагностическихустройств. Имеется множество аппаратов,специально разработанных и предназначенныхдля различных разделов медицины.

Например, до настоящего времени вофтальмологической практике, травматологии,нейрохирургии и оториноларингологии,наряду со сканирующими, используютсяи относительно простые аппараты,работающие в одномерном режиме (А-метод).

При этом неверно считать их устаревшимиили несовершенными. Они специально инаилучшим образом приспособлены дляконкретных исследований.

В зависимостиот области применения эти аппаратыимеют свои конструктивные особенностии наборы датчиков, рабочий диапазонкоторых весьма широк – от десятковмегагерц в офтальмологии до десятковкилогерц в травматологии иоториноларингологии.

Классификацияультразвуковой диагностическойаппаратуры представляется непростойзадачей, так как имеется много параметровдля разделения аппаратов на группы.

Спрактической точки зрения, ультразвуковыеаппараты могут быть разделены взависимости от области применения нааппараты общего назначения, универсальныеаппараты, аппараты специальногоназначения.

Аппаратыобщего назначения– относительно недорогие и несложные вработе. С их помощью производится осмотрорганов брюшной полости, забрюшинногопространства и малого таза. Дополнительныедатчики позволяют исследовать щитовидную,молочные железы, мягкие ткани. Этиаппараты могут применяться также вакушерской, педиатрической инеонатологической клиниках.

Универсальныеаппараты — имеют все перечисленныевозможности аппаратов общего назначенияи, кроме того, ряд дополнительных.

Специальныедатчики к этим аппаратам делают ихпо-настоящему многофункциональными иуниверсальными: например, дают возможностьосмотра предстательной железытрансректальным доступом, исследованияв операционной ране; применения вофтальмологии, производства прицельнойтонкоигольной биопсии. Наличие в такомаппарате доплеровского блока позволяетпроводить осмотр сердца и сосудов соценкой их функций и т.п.

Ультразвуковойдатчик получает короткий электрическийимпульс и генерирует соответствующийволновой импульс. Импульс состоит изнескольких циклов. Волна распространяетсявглубь тканей, от передатчика. Тканипоглощают, рассеивают, отражают ипреломляют волновой фронт.

Отраженнаяволна направляется в сторону датчика(при этом ткани поглощают, рассеивают,отражают и преломляют возвращающуюсяволну). Датчик переключается в режимприемника и преобразует воспринимаемыеволны в электрические импульсы.

Черезопределенный период времени датчикпрекращает работать на прием и передаетследующую волну.

Датчик(передатчик, преобразователь) преобразуетодну форму энергии в другую. Ультразвуковыедатчики преобразуют электричество иволны давления. В настоящее время этоможет быть выполнено с помощьюпьезоэлектрического кристалла (пьезоозначает«давление»). В будущем, вероятно, будетвозможно прямое преобразование.

Фазовыйдатчик (датчик для конвергентногосканирования)имеетнабор кристаллов, которые могутвозбуждаться сериями. Некоторые фазовыедатчики могут поворачиваться сиспользованием возможностей электроники,испуская волну, проникающую в ткани подуглом.

Вэхокардиографии мы имеем дело спреобразованием электрической энергиив механическую и наоборот. В датчикеэто преобразование осуществляетсяспециальным кристаллом —пьезоэлектрическим элементом.

Пьезоэлектрический элемент изменяетсвои размеры под воздействиемэлектрического тока и, напротив, порождаетэлектрический ток под действиемприложенного к нему давления, например,со стороны ультразвуковых волн. Такимобразом, пьезоэлектрический кристаллможет посылать и принимать ультразвуковыеволны.

В датчике пьезоэлектрическийэлемент находится между двумя электродами(плюс и минус). Проходящий через элементэлектрический ток заставляет его торасширяться, то сжиматься и тем самымгенерировать ультразвуковые волны. Сдругой стороны, приходящие ультразвуковыеволны элемент преобразует в электрическиеимпульсы, регистрируемые катоднымосциллографом.

Оптимальная длинапьезоэлектрического элемента равна1/2 длины волны. В этом случае элементколеблется с резонансной частотой.Колебания пьезоэлектрического элементараспространяются по всем направлениям,в том числе в направлении корпусадатчика. Чтобы исключить волны, отраженныеот корпуса датчика, корпус выстилаютпоглощающим материалом.

Генерированныйультразвуковым датчиком сигналраспространяется на некоторое расстояние,называемое ближней зоной, в виде пучкапараллельных волн, которые затемрасходятся в так называемой дальнейзоне.

Наилучшим образом могут бытьисследованы объекты, находящиеся вближней зоне: здесь выше интенсивностьизлучения и больше вероятность того,что ультразвуковые лучи распространяютсяперпендикулярно границе раздела фаз.Интенсивность измеряется числом волнна единицу площади. Протяженностьближней зоны (l) зависит от радиусадатчика (r) и длины ультразвуковой волны(l):

l = r/l.

Посколькуl = V/f,

гдеV — скорость распространенияультразвука в тканях,

f —его частота,

V = 1540 м/с,

получим:l = r2´f/1540.

Отсюдаясно, что размер ближней зоны можноувеличить, увеличив частоту или радиусдатчика (таблица).

Таблица Сравнительнаяхарактеристика различных ультразвуковых датчиков

Параметры датчика

Преимущества

Недостатки

Малый диаметр

Датчик можно использовать при узких межреберьях, его можно сильно отклонять, дает тонкий пучок в ближней зоне

Короткая ближняя зона, большая дивергенция в дальней зоне

Большой диаметр

Длинная ближняя зона, относительно малая дивергенция в дальней зоне

Низкое латеральное разрешение из-за широкого пучка

Высокая частота

Высокая разрешающая способность, длинная ближняя зона

Низкая проникающая способность

Низкая частота

Высокая проникающая способность

Низкая разрешающая способность, короткая ближняя зона

Применивконвергирующие и рассеивающие линзы,можно удлинить ближнюю зону и уменьшитьрасхождение ультразвуковых лучей вдальней зоне. Конвергирующие линзыфокусируют параллельные ультразвуковыеволны и используются в датчиках длясжатия пучка.

Они формируют узкий пучоквысокой интенсивности на короткомучастке, за пределами которого лучирасходятся, но не в такой степени, какэто было бы без использования конвергирующихлинз.

В современных датчиках фокусировкаультразвуковых лучей осуществляетсяне оптическими линзами, а электроннымисредствами.

Вобщем виде процесс работы эхокардиографаможет быть представлен следующимобразом. В некоторый момент временидатчик посылает короткий ультразвуковойимпульс.

Импульс линейно распространяетсяв гомогенной среде до тех пор, пока недойдет до границы раздела фаз, гдепроисходит отражение или преломлениеультразвуковых лучей. Через время,равное t,отраженный звук (эхо) вернется к датчику,который теперь работает как приемник.

Зная скорость распространения звуковойволны (1540 м/с) и время, за которое звукпрошел расстояние до границы фаз иобратно (∆t), можно вычислить расстояниемежду датчиком и этой границей (D):

D = 1540∆t/2.

Этосоотношение между временем и расстояниеми лежит в основе метода ультразвуковойвизуализации сердца. Обычно вэхокардиографии используют ультразвуковыеимпульсы длительностью около 1 мc.Пьезоэлектрический элемент работаетв режиме генерации менее 1% времени, авсе остальное время — в режиме приема.При этом пациент получает минимальныедозы ультразвукового облучения.

Аппаратыспециального назначения– в зависимости от конкретной областииспользования: эхокардиографы,эхоостеометры, эхосинускопы,эхоофтальмоскопы, эхомаммоскопы и др.

Погабаритам ультразвуковая диагностическаяаппаратура делится на: портативныеаппараты, переносные, полустационарные,стационарные.

Портативныеаппараты,которые отличаются малыми размерами имассой (обычно не более 5-8 кг).

Естественно,такие аппараты не могут быть универсальнымии иметь очень широкие возможности иобласти применения, однако, с их помощьюможно проводить диагностику заболеванийорганов брюшной полости, забрюшинногопространства и малого таза, осмотры вакушерской практике.

Такие аппаратыудобно использовать в ситуациях оказанияскорой и неотложной помощи, в амбулаторныхусловиях, а также в стационаре в качествеприкроватного монитора (например, длядиагностики ранних послеоперационныхосложнений в палатах интенсивной терапииили для оценки акушерской ситуации впредродовой палате и родовом зале).

Переносные– имеют несколько большие размеры имассу, но также легко перемещаются кместу проведения исследова­ния (вместотого, чтобы транспортировать пациентав кабинет ультразвуковой диагностики).Эти аппараты являются достаточносовершенными диагностическими системамии могут иметь не­сколько датчиков, втом числе и специальные (внутриполостные,интраоперационные, биопсийные).

Полустационарные– представляют собой более сложныеустройства. Как правило, они имеютнесколько сменных рабочих датчиков,Экран такого аппарата обычно имеетразмер более 25 см по диагонали.

Именноэтот тип аппаратов чаще всего встречаетсяв практике. Размещаются они на специальныхтележках или станинах с колесами, что,в принципе, позволяет осуществлятьтранспортировку, например, в операционнуюили палату интенсивной терапии.

Однако,чаще их используют как постоянноустановленные в кабинете устройства.

Стационарные-большие, сложные и дорогие диагностическиесистемы (обычно с компьютерной обработкойизображения) по своим габаритам и массетребующие больших помещений и непозволяющие транспортировать их всобранном состоянии.

Именнок этому классу относятся некоторыеспециальные аппараты – например,ультразвуковые иммерсионные маммографы.

Сточки зрения конструктивных особенностейаппарата и реализованного в нем принципаполучения изображения классифика­циявыглядит более сложной:

Поспособу получения диагностическойинформацииаппараты разделяются на:

  • Одномерные (работающие в А-режиме). Такие аппараты дают возможность исследовать объект только по направлению одного излучаемого датчиком ультразвукового сигнала (по глубине).

  • Двумерные (имеющие В-режим работы)- это аппараты сканирующего типа. Как правило, в таких аппаратах присутствует и М-режим, а часто также и одномерный.

  • К редкому типу двумерных аппаратов относятся устройства, имеющие С-режим;

  • Аппараты, имеющие встроенный доплеровский блок или приставку;

  • Аппараты с устройством цветного доплеровского картирования.

  • Модели аппаратов экспертного класса со специальными датчиками и блоками обработки информации, дающие объемное изображение.

Потипу и виду сканирования:

  • Аппараты, сканирующие в реальном масштабе времени, которые позволяют получать на экране изображение, соответствующее моменту проведения исследования и наблюдать движения объекта. Большинство выпускающихся сегодня аппаратов относятся к данному типу.

  • Устройства сложного ручного сканирования, дающие на экране статическое изображение (картинка появляется на экране постепенно, «рисуется» при перемещении датчика по коже);

  • Приборы механического сканирования с «медленным» перемещением элемента внутри корпуса датчика или в водной среде, куда погружается исследуемая часть тела.

Пометоду обработки отраженных эхосигналов:

  • Устройства с серой шкалой. Изображение на экране такого аппарата имеет множество оттенков серого цвета. К этому типу относится абсолютное большинство современных аппаратов;

  • Аппараты с условным цветовым кодированием отраженных сигналов. Изображение составляется на экране не из серых точек различной (в зависимости от амплитуды) яркости, а из цветных, выбранных для каждого уровня сигнала.

  • Аппараты с бистабильной обработкой эхосигналов. Воспроизводятся только отражения, превышающие пороговый уровень, которые, независимо от амплитуды, на экране имеют одинаковую яркость.

    Этим методом можно получить только изображение контуров объекта и основных составляющих его внутренней структуры.

    В настоящее время такие аппараты, так же как и аппараты с «цветной серой шкалой» практически не производятся.

Вультразвуковом диагностическом аппаратечасто соединяются (по блочному принципу)ряд приспособлений и устройств,обеспечивающих как разные типысканирования, так и возможностьспециальной обработки отраженныхсигналов.

Источник: https://studfile.net/preview/3272164/page:2/

Medic-studio
Добавить комментарий