Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Ультразвукова діагностика

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Львівський національний університет імені Івана Франка

Факультет електроніки

Кафедра електроніки

Курсова робота

на тему:

„Ультразвукова діагностика”

Виконав:

студент грути ФЕМ-32

Павлишин Павло

Науковий керівник:

доц. Матвіїшин І.М

Львів-2011

ЗМІСТ

ВСТУП…………………………………………………………………………….…3

1. Основні властивості ультразвукових хвиль…………………………………….5

2. Способи генерації ультразвуку……………………………………………….....6

3. Вплив УЗ на організм людини……………………………………………….…11

4. Фізіологічна дія УЗ………………………………………………………….…..14

5. Поглинання УЗ біологічними тканинами……………………………………..15

6. Перші УЗ діагностичні пристрої……………………………………………….16

7. УЗ терапія………………………………………………………………………..19

8. УЗ хірургія…………………………………………………………………….…22

9. УЗ діагностика…………………………………………………………….……..25

10. Кольорова УЗ діагностика ……………………………………………….…...27

ВИСНОВКИ…………………………………………………………………...….29

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ……………………………………30

ВСТУП

В епоху Галілея і Ньютона важко було уявити, що в майбутньому звук знайде широке застосування в найрізноманітніших галузях нашого життя, що вчення про нього набуде широкого розвитку, а одне із відгалужень науки про звук — акустики — буде названо ультразвуковим методом. Його поява і подальше широке використання його тісно пов'язані з розвитком науково-технічного прогресу, з необхідністю застосування ефективних і прогресивних методів в акустиці. Ми звикли своє уявлення про застосування ультразвуку сприймати через призму його впливу на речовину та різноманітні процеси. Якщо розподілити галузь застосування УЗ на два розділи, то один з них буде відповідати застосуванню УЗ як засобу впливу па речовину, а другий — як методу аналізу речовини.

Отже, фізико-хімічний вплив на середовище та його дослідження — ось два основних напрямки застосування ультразвуку в наш час.

Перший напрямок включає: знегажування рідких металів, оптичного скла і пластмас; зміну кристалічної структури металів в розплавленому та твердому станах;очистку деталей машин і приладів в машинобудуванні й енергетиці; диспергування, коагуляцію та орієнтацію анізотропних елементів у сумішах і розчинах газів, рідин та твердих часток в хімічних та металургійних процесах;біологічне та лікувальне опромінювання мікроорганізмів і рослинних клітин і т. д.

Другий напрямок застосування УЗ — ультразвуковий контроль— поєднує в собі: контроль концентрації, густини, температури, тиску, рівня, швидкості потоку і витрати рідин та газів в хімічних, піро- і гідрометалургійних виробництвах; контроль та сигналізацію про хід фізико-хімічних процесів в полімерній промисловості, ядерних пристроях, техніці надвисоких тисків та при обробці сільськогосподарських продуктів; безруйнівну дефектоскопію продуктів, промислових виробів та безопераційну діагностику в медицині; підводний зв'язок і гідролокацію і т.п.

Ці напрямки застосування УЗ різняться, перш за все, потужністю хвилі, яка випромінюється в середовище, що досліджується, та тими ефектами, які вимикають при цьому. Так, підвищення потужності випромінювача навіть до 0,05 Вт/см призводить до того, що, наприклад, в рідині виникає явище кавітації. Вона порушує фізичний і хімічний стан середовища. Крім того, спостерігаються інші акустичні явища, так звані ефекти другого порядку, які викликають в середовищі стійкі неозворотні зміни. При середніх та великих потужностях УЗ, крім основних (швидкості та поглинання УЗ), потрібно враховувати цілий ряд допоміжних величин: інтенсивність, амплітуду, тиск звуку і т. ін.. При дослідженні середовища за допомогою УЗ таких ефектів бажано уникати.

1. Основні властивості ультразвукових хвиль

Механічні хвилі, частота яких перевищує 20 кГц, називаються ультразвуком (УЗ). Ультразвукові хвилі – повздовжні хвилі, які є періодичним чередуванням зон стиснення і розрідження частинок середовища (рис. 1).

Рис. 1. Основні характеристики ультразвуку

Основні характеристики ультразвуку: частота ν, циклічна частота ω та, період Т (Т = 1/ ν ), швидкість υ, довжина хвилі λ (λ= υ/ν), амплітуда А, інтенсивність І (І=2π²•ρ•ν²•А²•υ, р — густина середовища), акустичний тиск Р (Р_max=2π•ρ•υ•ν•А)

УЗ має ряд специфічних властивостей, які визначають його широке використання в різних сферах людської діяльності. Ці особливості зумовлені високою частотою і, відповідно, малою довжиною хвилі, що визначає променевий характер розповсюдження ультразвуку, а також можливістю досягнення великих значень інтенсивності.

На відміну від звичайних звуків, ультразвуки мають значно меншу довжину хвиль. Внаслідок цього вони дають ультразвукові тіні, що можна одержати у вигляді вузьких пучків, які, за аналогією із світловими, прийнято називати ультразвуковими пучками. Таким чином, можна вважати, що УЗ поширюється в однорідному середовищі прямолінійно, не огинає перешкод, розміри яких значно перевищують довжину хвилі.

УЗ хвилі, як і з інші види хвиль, мають здатність заломлюватися, відбиватися,їм характерна дифракція та поглинання.

При заломленні та падінні УЗ хвиль під кутом відбувається цікаве явище – утворення поздовжніх і поперечних хвиль одночасно.

Найкраще УЗ поглинається газами, тілами з малою пружністю (пластмаси), пористими тілами (гума, корок), гірше – рідинами, найгірше – твердими тілами. [2]

2. Способи генерації ультразвуку

На практиці ультразвук найчастіше одержують за допомогою магнітострикційних і п'єзоелектричних випромінювачів.

Магнітострикційний випромінювач використовується для отримання низькочастотних УЗ (до 200 кГц). Їх дія базується на явищі магнітострикції в змінному магнітному полі. Це явище полягає в зміні об'єму і форми феромагнетика при його намагнічуванні. Якщо стрижень з феромагнетика (залізо, нікель, залізо-нікельовий сплав або ферити) помістити в магнітне поле соленоїда, то він, у відповідності з частотою зміни напряму поля, буде періодично змінювати свою довжину (скорочуватися або видовжуватися), тобто відбуватимуться магнітострикційні коливання. Кінці стрижня будуть випромінювати в середовище ультразвукові коливання. При співпаданні частоти коливань вектора індукції магнітного поля з власною частотою механічних коливань стрижня, амплітуда його коливань останнього досягає максимального значення (явище резонансу).

П'єзоелектричні випромінювачі використовуються для генерації УЗ з частотою більшою, ніж 200 кГц. Їх дія базується на явищі п'єзоелектричного ефекту. П'єзоефект спостерігається в кварці (SiO₂), титанаті барію (ВаТіО₃), сегнетовій солі, турмаліні та в інших речовинах, об'єднаних спільною назвою „п'єзоелектрики”. Суть прямого п'єзоефекту полягає в тому, що при механічних деформаціях деяких кристалів в певних напрямках на їх гранях з'являються електричні заряди протилежних знаків. Обернений п'єзоелектричний ефект полягає в зміні лінійних розмірів кристалу п'єзоелектрика під дією змінного електричного поля, тобто відбуваються вимушені механічні коливання п'єзоелектрика. В кристалах існують певні напрямки, які називаються п'єзоелектричною віссю. В напрямку вісі кристали найбільше стискаються і розтягуються, причому їх деформація досягає найбільшого значення у разі співпадання частоти коливання напруженості електричного поля з власною частотою механічних коливань п'єзоелектрика (явище резонансу).[4]

В методах, які описані вище коливання розмірів робочого тіла випромінювача (кінці стержня або грані кристалу) викликають в пружньому середовищі, яке до них дотикається, повздовжню УЗ хвилю.

Рис. 2. УЗ хвиля на межі двох середовищ.

Ультразвукова хвиля при проходженні через межу поділу двох середовищ частково відбивається і частково переходить у друге середовище (рис. 2).

За умови незначної відмінності акустичного опору середовищ у зоні дії, відбивання УЗ на межі цих середовищ незначне. Якщо є велика різниця акустичного опору, то хвиля, яка падає повністю відбивається від межі середовищ. Так на межі повітря і біологічних тканин УЗ відбивається на 99,7%. Цим продиктована основна умова методики УЗ терапії — щільний контакт аплікатора з ділянкою тіла, на яку впливають. З цією метою використовують так звані контактні середовища (воду, вазелінову, рослинну олію, гліцерин, мазі), які наносять на зону дії. Оскільки акустичні властивості цих середовищ і біологічних тканин подібні між собою, відбивання УЗ хвиль є незначним (у межах від 0,1 До 1%).

Відбивання УЗ хвиль залежить і від кута їх падіння на зону дії. У разі збільшення коефіцієнт відбивання зростає. Чим більше кут падіння відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Він може стати таким, за якого поширення УЗ повністю припиняється. Саме тому найкращою передумовою передачі енергії тканинам є накладання випромінювача до шкіри всією його поверхнею.

Ці явища характеризуються коефіцієнтами відбивання К_в і пропускання К_пр. Вони показують, яку частину інтенсивності падаючого УЗ променя І_п становлять інтенсивності І_в і І_пр, відповідно відбитого променя і променя, що пройшов у друге середовище:

Ці коефіцієнти залежать від співвідношення акустичних опорів (Z=ρυ) двох середовищ, які межують між собою. Таким чином, на межі поділу двох середовищ відбувається перерозподіл механічної енергії УЗ в залежності від акустичної густини середовищ (рис. 3), що лежить в основі ультразвукових методів дослідження у клініці. Основний принцип роботи будь-якого УЗ діагностичного приладу полягає у реєстрації відповідними способами відбитих від неоднорідностей внутрішніх органів і тканин організму УЗ променів.[7]

Рис. 3. Поширення УЗ на межі двох середовищ з різною акустичною густиною.

Рис. 4. Датчик УЗ.

Випромінювачі (датчики) УЗ відіграють дуже важливу роль в роботі ультразвукової медичної апаратури в цілому. Будова звичайного одноелементного датчика УЗ зображена на рис. 4.

УЗ хвилі, які випромінюються звичайним датчиком, розповсюджуються на певній відстані у вигляді вузького паралельного пучка променів (рис. 5). На відстані УЗ-промені починають відхилятись на деякий кут Θ.

Рис. 5. Відхилення УЗ пучка

Відстань залежить від радіуса датчика і довжини хвилі:

Так, наприклад, при використанні звичайного датчика діаметром 12 мм і частотою УЗ 2,22 МГц промені залишаються паралельними на відстані 6 см.

Для зменшення ступеня розходження променів використовують також фокусовані датчики з ультразвуковими лінзами (рис. 6).

Рис. 6. УЗ-лінза

Використання УЗ-лінз з різною кривизною поверхні дозволяє створювати фокусну зону на різних відстанях від датчиків.

Один і той самий датчик використовується для випромінювання УЗ і для прийняття відбитих від об'єкту УЗ променів. Збудження п'єзоелементів при цьому досягається імпульсними електричними сигналами, які складаються з високочастотних посилок і пауз між ними. В режимі посилки сигналів датчик випромінює УЗ, а в режимі паузи реєструє відбиті промені.

Важливою характеристикою ультразвукових приладів є роздільна здатність, яка визначається границею роздільності. Границя роздільності – мінімальна відстань між двома відбиваючими структурами, від яких можна роздільно зареєструвати два відбитих сигнали. Роздільна здатність залежить від частоти ультразвукових коливань.

Ультразвуковий промінь, який генерується датчиком, має максимальну інтенсивність в центрі пучка (рис. 7). В результаті цього роздільна здатність датчика різна по центру пучка і по його периферії.

Рис. 7. Інтенсивність УЗ променя, який генерується датчиком.

В медичній практиці використовуються датчики, які генерують різні частоти УЗ (1-10 МГц), мають різний діаметр (0,7-2 см) і фокусну відстань від 6 до 12-14 см. [4]

3. Вплив УЗ на організм людини

У виробничих умовах можливий вплив низькочастотного ультразвуку на працівників як через повітря, так і при безпосередньому контакті з рідким або твердим середовищем зі збудженими коливаннями. Контактна дія спостерігається при утримуванні інструмента, чи оброблюваної деталі (при лудінні та паянні), при завантажуванні виробів в УЗ ванни і розвантажуванні їх, зварюванні та інших операціях. Розрізняють короткочасну та періодичну контактну дію.

УЗ коливання, які генеруються промисловим устаткуванням, несприятливо впливають на організм людини. При тривалій систематичній дії УЗ, який поширюється через повітря, можуть виникати порушення нервової, серцево-судинної і ендокринної систем, слухового аналізатора, системи крові.

Характерним є розвиток вегетосудинної дистонії і астенії. Ступінь вираженості змін, що відбуваються в організмі людини під впливом УЗ, залежить від інтенсивності й тривалості його дії і може посилюватися за рахунок наявності у спектрі високочастотного шуму і можливості контакту із середовищем, яке озвучується.

Біологічна дія ультразвуку на організм при контактному його передаванні залежить від потужності ультразвукових коливань, їх частоти, тривалості дії, способу випромінювання ультразвукової енергії (безперервного, імпульсного), чутливості тканин, інтенсивності кровопостачання і стану метаболізму у тканинах. Поширюючись у тканинах організму, ультразвукові хвилі впливають на фізико-хімічні та біологічні процеси, що відбуваються в цих тканинах. Найчутливіші до дії контактного високочастотного ультразвуку вегетативна і периферична нервові системи.

В осіб, які працюють в умовах інтенсивного ультразвуку, що супроводжується шумом, поряд із змінами функцій нервової системи спостерігається зниження судинного тонусу, особливо в місцях контакту з джерелами ультразвуку. Загальноцеребральні порушення часто поєднуються з помірним вегетативним поліартритом рук, парезом пальців, кистей і передпліччя. Іноді у працівників спостерігаються вестибулярні розлади, підвищення температури тіла тощо.

Залежно від інтенсивності ультразвукових хвиль розрізняють три види УЗ і впливу його на живі тканини:

1. УЗ малої інтенсивності (до 1,5Вт/см2). Викликає зміни фізико-хімічних реакцій організму, прискорення обмінних процесів, слабке нагрівання тканини, мікромасаж і не призводить до морфологічних порушень всередині клітин.

2. УЗ середньої інтенсивності (1,5-3 Вт/см2). Викликає реакцію пригнічення у нервовій тканині. Швидкість відновлення функцій залежить від інтенсивності і тривалості впливу ультразвуку.

3. УЗ великої інтенсивності. Викликає незворотне пригнічення аж до повного руйнування тканини.

УЗ високочастотного діапазону викликає підвищення проникності судин шкіри, що виражається гіперемією аж до крововиливів на поверхні шкіри (петехій).

Під час контактної дії ультразвуку підвищується серцевий ритм, помітно змінюється ЕКГ; при збільшенні його інтенсивності виникає аритмія, а в окремих випадках — зупинка серця (у піддослідних тварин). Аналогічні реакції спостерігаються і в людей: виникають неприємні відчуття при озвучуванні грудної клітки, згодом розвиваються тахікардія та стенокардія.

Високочастотний УЗ малої інтенсивності (0,2-1,0 Вт/см2) викликає судинорозширювальний ефект, великої (3,0 Вт/см2 і більше) — судинозвужувальний. При цьому змінюється тонус артерій: УЗ малої інтенсивності дає гіпотензивний ефект, при збільшенні його інтенсивності виникає артеріальна гіпертензія.

Зміни в нирках, печінці, статевих органах, ендокринних залозах відбуваються внаслідок впливу ультразвуку на гіпоталамус, який регулює діяльність внутрішніх органів рефлекторним і нейрогуморальним шляхами. Спостерігається зміна морфологічної картини крові; зменшується кількість еритроцитів та лейкоцитів. Зміни нагадують такі, що відбуваються під впливом радіоактивного випромінювання. Виявляються вегетативно-судинні ураження рук (парез пальців, кистей і передпліччя, вегетативний поліневрит). Ступінь вираженості патології залежить від рівня ультразвукового тиску. Негативні наслідки більшою мірою проявляються у працівників, які зазнають одночасного впливу ультразвуку через повітря і контактно. Істотно підвищує негативний вплив ультразвуку шум чутного діапазону.[1]

4. Фізіологічна дія УЗ

У механізмі дії ультразвуку на організм головне значення мають механічний, тепловий і фізико-хімічний фактори. Механічний фактор, який спричиняється змінним акустичним тиском, виявляється своєрідним „мікромасажем” на клітинному і субклітинному рівнях. При цьому відбувається підвищення проникності клітинних мембран, гістогематичних бар'єрів та посилення проникнення речовин через шкіру; має значення і деполімеризуюча дія УЗ на гіалуронову кислоту. Виникає активація електрокінетичних (електрокапілярних) явищ, що спостерігаються на межі середовищ з різним акустичним опором і мають велике значення при фонофорезі. З'являються акустичні мікропотоки в протоплазмі, переміщення внутрішньоклітинних включень, зміна їх просторового взаємо-положення, що викликає стимуляцію функції клітинних елементів і клітини в цілому.

Тепловий фактор УЗ пов'язаний із поглинанням енергії ультразвукових хвиль і перетворенням її в тепло. Раніше у разі використання великих інтенсивностей ультразвуку спостерігали значне підвищення температури тканин, і тому цей фактор вважали найважливішим у механізмі дії УЗ. При використанні невеликих інтенсивностей і лабільної методики впливу значного підвищення температури тканин не спостерігається. Нині, не заперечуючи значення теплового фактора, за ним не визначають головного значення. Наслідком теплової дії ультразвуку можна вважати зміну дифузних процесів, швидкості біохімічних реакцій, виникнення температурних градієнтів, що врешті-решт проявляється в життєдіяльності озвучених тканин.

Фізико-хімічний фактор УЗ виявляється зміною біохімічних реакцій і біофізичних процесів, просторовою перебудовою внутрішньоклітинних молекулярних комплексів. Збільшується активність ряду ферментів, інтенсивність тканинних окисно-відновних реакцій, прискорюється мітоз, утворення БАР (гепарину, гістаміну, серотоніну та ін.). [3]

5. Поглинання УЗ біологічними тканинами

Тканини поглинають ультразвук нерівномірно. Слабке поглинання відбувається в підшкірній жировій клітковині, більше в м'язах, нервах і особливо в кістках. І тканини, що виконують функцію опори, і тканини, що отримують і передають механічне напруження, мають вищі значення поглинання, ніж тканини паренхіматозних органів. Коефіцієнт поглинання ультразвуку для кісткової тканини у 12—15 разів вищий, ніж для м'язової тканини. Глибина проникнення ультразвуку у кістку мінімальна і становить близько 0,3 см. Максимально енергія ультразвуку поглинається на межі поділу різних тканин: шкіра — підшкірна жирова клітковина, фасція—м'яз, окістя — кістка. При патологічних процесах поглинання ультразвуку змінюється. Якщо патологічний процес супроводжується набряком тканин, то коефіцієнт поглинання ультразвукових хвиль зменшується. Інфільтрація тканин клітинними елементами веде до підвищення коефіцієнта поглинання.

Вважається, що в умовах цілісного організму ультразвук частотою 800—1000 кГц поширюється на глибину 5—6 см, а частотою 2500—3000 кГц — на 1,5—2 см. Оскільки амплітуда ультразвукових коливань поступово зменшується, то для оцінки глибини їх проникнення користуються величиною напівпоглинаючого шару. Вона вказує, на якій глибині інтенсивність коливань унаслідок поглинання тканинами зменшується вдвоє. Величина напівпоглинаючого шару тим менша, чим більша в'язкість тканини і чим вища частота коливань. Так, при частоті 800 кГц величина цього шару для м'яких тканин (жирова і м'язова) дорівнює 4,9 см, а при частоті — 2400 кГц — 1,5 см. З урахуванням цього для лікування хвороб внутрішніх органів використовують частоту 880 кГц, а в дерматологічній практиці частіше застосовують УЗ із частотою коливань 2000—3000 кГц. Основними дозиметричними параметрами ультразвукової терапії є потужність, інтенсивність, режим і тривалість дії

Режим генерації ультразвуку може бути постійним (неперервний ультразвук) і імпульсним, коли коливання подаються окремими імпульсами з інтервалами (імпульсний ультразвук). При цьому частота імпульсів дорівнює 50 Гц, тривалість— 10,4 і 2 мс, а скважність (відношення тривалості всього періоду до тривалості проходження імпульсу) відповідно дорівнює 2,5 і 10. В імпульсному режимі при одній і тій самій інтенсивності коливань за один і той самий проміжок часу енергії випромінюється в середньому менше, ніж при неперервному.[5]

6. Перші УЗ діагностичні пристрої

Дуглас Хаурі першопрохідник 1940-их років, зіграв важливу роль у розвитку ультразвуку й ультразвукових пристроїв. Хаурі сконцентрував свою увагу на розвитку устаткування і прикладної теорії ультразвуку. Хоча його початкова робота привела до створення ультразвукової машини, що робила недостатньо оптимальні зображення, остаточна мета Хоурі полягала в тому, щоб зробити більш витончений прилад, що був би "в певній мірі, порівнянним з фактично великою кількістю зрізів структур, що робляться, у лабораторії патології."

У 1951, Хоурі познайомився з Джозефом Холмесом, неврологом в Адміністративній лікарні Ветеранів у Денвері. Холмес зіграв ведучу роль в одержанні інституційної підтримки, що дала можливість Хоурі продовжити його дослідження на устаткуванні Денвера. За наступні кілька років, Хоурі прагнув усувати тіні, і відображення сторонніх ехосигналів, що перешкоджали побудові якісних ультразвукових зображень.

Хоурі довідався, що зображення режиму "B" відображали тільки відображення від поверхонь „роздягнула тканини”, що були перпендикулярні до ультразвукового променя. Виходячи з того,що внутрішні органи мали неправильну форму, були необхідні множинні зображення з декількох різних кутів для того, щоб зробити цілісне зображення чіткої якості. Крім того, Хоурі знайшов, що високо відбивають тканини, наприклад кістки, дають тіні, що затінювали структури які знаходилися глибше, наприклад, коли тіні від ребра затемнюють зображення селезінки. Щоб виправляти цю проблему, Хоури побудував "сомаскоп", перший складний периферичний сканер. Цей пристрій, побудований у 1954, мав датчик, встановлений на обертовому кільцевому механізмі гарматної турелі від B-29. Датчик був установлений навколо краю великої металевої чаші, заповненої водою, що служила як імерсійна ванна. Один мотор використовувався, щоб плавати навколо ванни, у той час як інший робив коловий рух, отже деформуючи численні, накладені одне на інше, УЗ зображення від різних кутів. „Реальні” зображення чи з великою амплітудою зберігалися в УЗ системі іммерсійної ванни. На резервуарі для домашньої худоби розміщали датчик, що був установлений на дерев'яній поперечині (стрілі) і горизонтально переміщався по цій поперечині.

Вторинні відображення були усунуті. Хоча сканер зробив зображення прийнятної якості, він вимагав, щоб пацієнт залишався зануреним і нерухомим протягом довгих періодів, і тому був визнаний непрактичним для використання в клінічних умовах.

Наприкінці 1950-их, Хоурі з колегами розробив ультразвуковий сканер з напівкруглої кювети, що має пластмасове вікно. Пацієнт все ще повинен був залишитися нерухомим протягом довгого часу. На початку 1960-их, В. Райт і E. Мієрс приєдналися до дослідницької групи Хоурі, щоб сконцентруватися на цій властивій проблемі із системою сполуки водяного термостата. Результатом цих зусиль групи було виробництво прямоконтактного сканера.

У 1961р. Мієрс і Райт з'єдналися, щоб утворити Physionics Engineering, і протягом року зробили прототип першого переносного контактного сканера в Сполучених Штатах. У цього сканера був шарнірний маніпулятор з позиціонуванням механізмів у кожній сполуці, для об'єднання інформації, отриманої від датчика. „Кюветний сканер” Хоурі - Пацієнт сидів у видозміненому стоматологічному кріслі і був закріплений напроти пластмасового вікна напівкруглої кювети, заповненою сіллю.