Эхолокация в ультразвуковой диагностике.
Многие приборы для ультразвуковых медицинских исследований (УЗИ) работают на основе принципа эхолокации.
Эхолокация - это определение положения (локация) удаленных предметов по длительности задержки с приходом отраженных от них звуковых импульсов (эхо). В природе эхолокацию раньше человека освоили летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные.
Радиолокация — это решение аналогичных задач с использованием импульсов электромагнитных излучений.
Пример использования эхолокации в медицинской аппаратуре: на рис. 1 представлена схема одномерного ультразвукового диагностического прибора для эхоскопии глаза.
В нижней половине рисунка - схема строения глаза. В контакте с роговицей - ультразвуковой излучатель, испускающий короткие ультразвуковые импульсы длительностью порядка 1 мкс. В паузах между излучаемыми импульсами этот же прибор принимает импульсы, отраженные от различных внутриглазных неоднородностей. Возникающие при этом электрические импульсы, после их усиления, формируют на экране монитора эхограмму – запись последовательности отраженных импульсов в порядке их поступления. Эхограмма представлена на верхней половине рис. 1.
Рис. 1. Схема получения эхограммы глаза. На этой схеме:
1 - эхосигнал от передней поверхности роговицы;
2, 3 - эхосигналы от передней и задней поверхностей хрусталика; 4 - эхосигнал от сетчатки и структур заднего полюса глазного яблока.
|
|
|
Эхограмма формируется следующим образом. Любой ультразвуковой импульс излучателя проходит сквозь глаз, частично отражаясь в обратном направлении на каждой из границ раздела смежных структур. Так что каждый импульс ультразвукового излучателя порождает несколько отраженных УЗ-импульсов. В нашем примере хорошо различимы эхосигналы от четырех отражающих поверхностей. Координаты эхосигналов на эхограмме пропорциональны времени задержки с приходом на излучатель УЗ-импульсов, отраженных от различных внутриглазных поверхностей. А излучатель успевает вовремя стать приемником.
Эхосигналы формируют на экране монитора неподвижное изображение. Инерционность нашего зрения делает незаметным то обстоятельство, что это изображение в течение секунды тысячекратно исчезает и вновь появляется.
Двухмерные приборы для УЗ-диагностики имеют многоэлементные ультразвуковые преобразователи в виде блока автономных одномерных пьезоэлементов. Каждый такой элемент имеет свою «зону ответственности» в двухмерном (плоском) изображении внутренних органов на экране монитора. Система работает циклически. Каждый цикл организован следующим образом: пьезоэлементы поочередно подключаются к высокочастотному генератору электрических импульсов и поочередно становятся источниками ультразвуковых импульсов. Затем система переключается на режим поочередной регистрации отраженных УЗ-импульсов. При этом актуальным является не длительность задержки отраженных эхосигналов, а их интенсивность: чем больше интенсивность, тем больше яркость свечения монитора в «зоне ответственности» каждого пьезоэлемента.
|
|
|
Диагностические возможности расширяются, если в ходе обследования осуществляется перемещение ультразвуковой головки - преобразователя вдоль тела пациента (сканирование).
1.4. Волновое сопротивление. Коэффициенты отражения и пропускания
Плотность среды ρ и скорость звука V в этой среде образуют комплекс ρ V - волновое сопротивление (акустическое сопротивление; звуковой импеданс).Именно этот параметр и его распределение в объеме исследуемых органов определяют, в конечном счете, диагностические возможности методов УЗИ.
В методах УЗИ зрительные образы формируются на ультразвуковых лучах, введенных в организм пациента и отраженных, в той или иной степени, на неоднородностях в распределении волнового сопротивления. Но мы в ультразвуковых лучах ничего не видим и не слышим. Поэтому потоки отраженного ультразвука, вышедшего из организма, регистрирующая аппаратура преобразует в электрические сигналы. По ним на экране монитора получается некоторый видео-образ: зрительно доступная картина на плоскости экрана, показывающая, как распределены неоднородности волнового сопротивления в объеме тела пациента. При этом более глубоко расположенные неоднородности могут оказаться в тени неоднородностей, расположенных менее глубоко. Так что медицинское прочтение таких картинок может оказаться сложным, особенно с непривычки.
|
|
|
В таблице 1 приведены значения скорости звуковых волн и волнового сопротивления для различных биологических сред организма человека.
Таблица 1.Волновое сопротивление тканей человека.
| Ткань | Скорость звука V (м/с) | Волновое сопротивление ρV ·10-6 (кг/м2с) |
| Кожа | 1498-2030 | 1,73-2,54 |
| Мышечная ткань: гладкая мышца поперечно-полосатая | 1560-1620 1551 1573 | 1,13-1,18 |
| Жировая ткань | 1350-1470 | 0,86-0,94 |
| Мозг | 1520 | 1,06 |
| Легкие | 400-1200 | - |
| Печень | 1550 | 1,11 |
| Кровь | 1540-1600 | 1,04-1,08 |
| Хрящ | 1670 | - |
| Костная ткань | 2500-4300 | 2,2-5,0 |
| Дентин | 4500 | 8,0 |
| Эмаль | 6200 | 18,0 |
| Хрусталик | 1650 | 1,73 |
| Стекловидное тело | 1530 | 1,54 |
| Камни печени | 1400-2200 | 0,8-1,6 |
| Вода | 1480 | 1,48 |
| Воздух | 331,5 | 0,0043 |
|
|
|
Значения волнового сопротивления сред, следующих одна за другой по ходу волнового луча, определяют распределение энергии между отраженными и проходящими в соседнюю среду потоками энергии. Если два слоя две среды одинаковы по величине волнового сопротивления, то на их границе ни отражения, ни преломления не произойдет; луч останется прямолинейным. И наоборот, чем больше отличаются волновые сопротивления соседствующих слоев вещества, тем заметнее будет это место при проведении УЗИ.
Коэффициент отражения показывает, какую часть энергии падающей волны получает волна отраженная. При нормальном падении,
то есть когда луч перпендикулярен поверхности раздела сред 1 и 2, коэффициент отражения:
R = {(ρ2V2_- ρ1V1) / (ρ2V2 + ρ1V1)}2 (1)
Диапазон возможных значений коэффициента отражения:
От R=0 (отражение отсутствует) до R=1 (падающая волна полностью отражается)
Величина D = 1 – R - коэффициент пропускания - показывает, какая часть энергии волны, падающей на границу раздела, достается волне, прошедшей во вторую среду.
В таблице 2 приведены значения коэффициентов R и D для некоторых сочетаний сред на границе их раздела.
Таблица 2
| Отражающая граница | Коэффициент отражения R | Коэффициент пропускания D |
| Воздух/мягкие ткани | 0.999 | 0.001 |
| Мягкие ткани/пьезокристалл | 0.80 | 0.20 |
| Жир/кость | 0.49 | 0.51 |
| Мышцы/кость | 0.41 | 0.59 |
| Жир/почка | 0.006 | 0.994 |
| Хрусталик/стекловидное тело | 0.01 | 0.99 |
| Вода/мягкие ткани | 0.002 | 0.998 |
| Жир/мышцы | 0.011 | 0.989 |
| Мышцы/стекловидное тело | 0.001 | 0.999 |
Примечания:
1. Из первой строки таблицы 3 следует, что ни звук, ни ультразвук из воздушной среды в мягкие ткани или в воду почти не проникают: коэффициент отражения очень близок к единице. Поэтому при ультразвуковых исследованиях место контакта излучающей ультразвуковой головки с телом пациента обильно смазывают специальным гелем: даже тончайшая воздушная прослойка должна быть исключена.
2.Рыбаки распугивают рыбу не столько своими разговорами, сколько телодвижениями.
3.Ультразвуковой луч проходит границу раздела слоев 1 и 2 дважды: от излучающей головки вглубь тела пациента, а затем, отразившись от каких-то структур пациента, снова проходит эту границу, но в обратной очередности. Коэффициент отражения на границе 1-2 на пути луча «туда» и «обратно» не меняется. Это следует из формулы (1).
4.Коэффициент отражения УЗ на границе «хрусталик-стекловидное тело» : R=0.01 (см. табл. 2. Тем не менее на эхограмме глаза (см. рис 1) граница «хрусталик/стекловидное тело» зафиксирована надежно. Принимаем это к сведению как показатель чувствительности метода диагностики.
Вопрос продвинутому студенту. Если на границе раздела двух сред волновое сопротивление меняется резко, скачком от ρ1V1 до ρ2V2 , то на этой границе будет происходить отражение ультразвукового луча в соответствии с формулой (1). Что изменится, если в неоднородной среде такое же по величине изменение волнового сопротивления будет «размазано» вдоль хода лучей?
В заключение этого раздела напомним, что от скорости звука зависит не только волновое сопротивление, но также и длина волны звука, а ее величина может существенно влиять на акустические свойства источников звука. Приведем пример, когда эти обстоятельства становятся существенными. При погружениях на большую глубину экипаж батискафа вынужден работать в условиях высокого давления газовой смеси, заполняющей батискаф, иначе он будет раздавлен забортной водой. Вместо воздуха применяют дыхательную смесь, в которой азот заменен гелием: это оказалось необходимым в связи с тем, что при повышении давления увеличивается количество азота, растворенного в крови, и он начинает оказывать наркотическое действие. Скорость звука в воздухе - 330 м/с, а в гелии - 897 м/с. Скорость звука в такой газовой смеси гораздо больше, чем в воздушной; пропорционально возрастают и значения длин звуковых волн различных компонент голосового спектра. Это приводит к большим изменениям акустических свойств полостей голосового аппарата. Голос взрослого мужчины становится похож на голоса персонажей из детских мультфильмов: пропадают низкочастотные компоненты.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 639; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!