Ультразвуковые методы исследования и их применение в медицине
Ультразвуковые методы исследования и их применение в медицине.
Ультразвук - упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 18 000 герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. По скорости распространения звука в среде судят о ее физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.
Если плотность, структура и температура одинаковы по всей среде, то такая среда называется гомогенной. В гомогенной среде волны распространяются линейно. Различные среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важен акустический импеданс. Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны. Скорость распространения ультразвуковой волны в тканях практически постоянна, поэтому в эхокардиографии акустический импеданс — лишь функция плотности той или иной ткани. Разные ткани: миокард, перикард, кровь, створки клапанов и т. д. — имеют разную плотность. Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект «раздела фаз» [interface]. Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее. При этом: 1) угол падения равен углу отражения; 2) из-за различий акустических импедансов сред угол преломления не равен углу падения.
Соотношение между углом падения (отражения) и углом преломления описывается формулой: n1/n2 = sin q2/sin q1, где n — акустический импеданс, t — угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз.
Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн. Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами: 1) разностью акустического импеданса сред — чем больше эта разность, тем больше отражение; 2) углом падения — чем ближе он к 90°, тем больше отражение; 3) соотношением размеров объекта и длины волны — размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны).
Пространственная разрешающая способность метода [resolution] определяет расстояние между двумя объектами, при котором их еще можно различить. Например, частота 2,0 МГц дает разрешающую способность в 1 мм. Однако, чем выше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука (глубина проникновения): тем легче происходит его затухание [attenuation]. Таким образом, важно найти оптимальную частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности. В табл. 1 приведены значения «половинного затухания» для разных сред, т. е. расстояния, на которых ультразвуковые волны с частотой 2,0 МГц теряют половину своей энергии.
Структуры, в которых происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень [shadowing]; при исследовании сердца такой эффект дают кальцинированные структуры и протезированные клапаны сердца.
Источники ультразвука.
Ультразвук - упругие колебания с частотами выше диапазона слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в виде волны в газах, жидкостях и твердых телах или образующие в ограниченных областях этих сред стоячие волны.
Источники ультразвука -
все виды ультразвукового
Воздушный ультразвук - ультразвуковые колебания в воздушной среде.
Уровень звукового давления - выраженное в логарифмических единицах отношение среднего квадратического значения звукового давления в определенной полосе частот к стандартизованному исходному значению звукового давления.
Предельно допустимый уровень ультразвука - уровень, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 ч в неделю в течение всего рабочего стажа не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Соблюдение ПДУ ультразвука не исключает нарушения здоровья у сверхчувствительных лиц.
Вредное воздействие ультразвука на организм человека проявляется в функциональном нарушении нервной системы, изменении давления, состава и свойства крови. Работающие жалуются на головные боли, быструю утомляемость и потерю слуховой чувствительности.
При разработке нового и модернизации существующего оборудования, приборов и аппаратуры должны предусматриваться меры по максимальному ограничению ультразвука как в источнике возникновения, так и по пути распространения.
Запрещается непосредственный контакт человека с рабочей поверхностью источника ультразвука и с контактной средой во время возбуждения в ней ультразвука.
Ультразвуковые искатели и датчики, удерживаемые руками оператора, должны иметь форму, обеспечивающую минимальное напряжение мышц, удобное для работы расположение и соответствовать требованиям технической эстетики. Должна быть исключена возможность контактной передачи ультразвука другим частям тела, кроме рук.
Для защиты персонала, обслуживающего
источники ультразвука, следует
применять дистанционное
Для защиты рук от неблагоприятного
воздействия контактного
При работе с источниками ультразвука должны соблюдаться требования Правил техники безопасности, установленные в эксплуатационной документации на оборудование и средства измерения.
К работе с источниками ультразвука допускаются лица не моложе 18 лет, имеющие соответствующую квалификацию, прошедшие обучение и инструктаж по технике безопасности.
При систематической работе с контактным ультразвуком в течение более 50% рабочего времени необходимо устраивать перерывы через каждые 1,5 ч на 15 мин.
Перерывы могут быть заполнены другими видами работ, которые не сопровождаются воздействием на организм повышенных уровней шума и вибрации.
Организация технологических процессов при работе на ультразвуковых установках с применением химических веществ должна исключать возможность контакта работающих с вредными веществами.
Контроль нормируемых параметров ультразвука на рабочих местах должен проводиться не реже одного раза в год.
С целью предупреждения и ранней диагностики профессиональных заболеваний у работающих с контактным ультразвуком необходимо проводить предварительные (при приеме на работу) и периодические медицинские осмотры в соответствии с действующими приказами Минздрава.
Для коллективной защиты
от воздействия повышенных уровней
ультразвука можно использовать
следующие направления: уменьшение
вредного излучения ультразвуковой энергии
в источнике ее возникновения; локализацию
действия ультразвука конструктивными
и планировочными решениями; проведение
организационно-
Для локализации ультразвука обязательным является применение звукоизолирующих кожухов, полукожухов, экранов.
Если эти меры не дают положительного эффекта, то ультразвуковые установки нужно размещать в отдельных помещениях и кабинах, облицованных звукопоглощающими материалами.
Организационно-
Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)
Давно известно, что ультразвуковое
излучение можно сделать
Этот интерес не ослабевал и в дальнейшем, причем развитие медицинских приложений шло по самым различным направлениям особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее, лишь сравнительно недавно стал намечаться истинно научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии ультразвукового излучения с биологической средой. С применением ультразвука в медицине связано множество разных аспектов.
Однако, при этом физика явления должна включать следующие процессы распространение ультразвука в биологической среде, такой как тело человека, взаимодействие ультразвука с компонентами этой среды и измерения и регистрация акустического излучения, как падающего на объект, так и возникающего в результате взаимодействия с ними. Проблема интерпретации взаимодействия акустического излучения с биологической средой существенно упрощается, если последнюю рассматривать не как твердое тело, а как жидкость.
В такой среде нет сдвиговых волн, поэтому теория распространения волн проще, чем для твердого тела. В диапазоне ультразвуковых частот, применяемых в медицинской акустике, это предположение справедливо почти для всех тканей тела, хотя имеются и исключения, например кость. То, что взаимодействие ультразвука с тканью можно смоделировать его взаимодействием с жидкостями важный фактор, повышающий практическую ценность медицинской ультразвуковой диагностики.
Прием и измерение
ультразвука В медицинских или
биологических приложениях
Рассматриваемые здесь четыре основных задачи иллюстрируют ценность многих полезных свойств ультразвуковых методов. Надежное определение положения плаценты задача первостепенной важности в акушерской практике. С развитием техники, обеспечивающее высокое расширение по контрасту, эта процедура стала уже рутинной. Приборы, работающие в реальном времени, эргономически более выгодны, так как позволяют определять положения плаценты быстрее, чем статические сканеры. Второй вид процедур, ставших уже привычными оценка развития плода по измерению одного или более его размеров, таких как диаметр головки, окружность головки, площадь грудной клетки или живота. Так как даже очень малые изменения этих размеров могут иметь диагностическое значение, эти методы требуют высокой точности самой аппаратуры и методик ее применения. Третий вид процедур, появившийся не так давно и не столь еще укоренившийся в практике раннее обнаружение аномалий плода. Это приложение требует особенно хорошего пространственного разрешения и разрешения по контрасту, предпочтительно в сочетании с режимом реального времени и быстрым сканированием.
Хорошие методики и качественная аппаратура позволяют обнаруживать такие дефекты, как недоразвитие гибель яйца, анэнцефалия полное или почти полное отсутствие мозга, гидроцефалия избыток жидкости в мозге, наблюдаемый в виде уширения желудочков, спинальные позвоночные дефекты, зачастую необнаружимые биохимическими методами, и дефекты желудочно-кишечного тракта. Вспомогательную, но очень важную роль играет ультразвук в процедуре амниоцентеза пункции плодного пузыря взятии околоплодных вод для цитологических исследований и выявления возможных генетических нарушений. Ввод иглы при амниоцентезе под контролем ультразвуковой визуализации, обеспечивает значительно большую безопасность этой процедуры. Наконец, необходимо отметить ультразвуковое исследование движения плода. Это явление лишь недавно стало предметом подробного исследования.
Сейчас происходит накопление большого
количества информации как по движению
конечностей плода и
Гинекологические исследования, в том числе исследования матки и яичников, в течение долгого времени являются главным направлением успешного применения ультразвука.
Здесь зачастую также необходима дифференциация
злокачественных и
Аналогичные заключения применимы и к исследованию многих других внутренних органов и областей.
Возрастает интерес к
необходимо в радиационной
терапии для облучения
Так, для обнаружения и распознавания аномалий движения клапанов сердца, в частности митрального, очень широко используется М-режим. При этом важно регистрировать движение клапанов вплоть до частот порядка 50Гц и, следовательно, с частотой повторения около 100Гц. Эта цифра, оставаясь значительно ниже упомянутого выше придела для эхо-импульсных приборов около 5кГц, в сущности, недостижима при любых других методах исследования.
НЕВРОЛОГИЯ До появления рентгеновской компьютерной томографии мозг было особенно сложно исследовать. Начиная с 1951г в Лондонском королевском онкологическом госпитале предпринимались значительные усилия для применения ультразвука к этой задаче. К сожалению, этому мешают физические свойства черепа взрослого человека, поскольку череп представляет собой сильно поглощающую трехслойною структуру переменной толщины.
Хотя было сделано несколько интересных попыток преодолеть эти трудности, в том числе с использованием управляемых многоэлементных решеток, когда датчик прилегает к ограниченной области черепа, а также с частичной автоматической компенсацией фазовой задержки для учета изменений толщины черепа, такое применение не встретило одобрения диагностов. Однако еще не затвердевший череп плода или новорожденного в акустическом плане не представляет значительных преград, связанных с возникновением затухания или преломления, и поэтому ультразвуковое обследование здесь применяется все чаще.
Применение ультразвука в терапии и хирургии Давно известно, что ультразвук, действуя на ткани, вызывает в них биологические изменения. Интерес к изучению этой проблемы обусловлен, с одной стороны, естественным опасением, связанным с возможным риском применения ультразвуковых диагностических систем для визуализации, а с другой возможностью вызвать изменения в тканях для достижения терапевтического эффекта. Терапевтический ультразвук может быть условно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей.
Основная задача применения
ультразвука низких интенсивностей
не повреждающей нагрев или какие-либо
нетепловые эффекты, а также стимуляция
и ускорение нормальных физиологических
реакций при лечении
Распределение температуры
в тканях млекопитающих при
Рубцовая ткань также может стать более эластичной под воздействием ультразвука. Повышение подвижности суставов Амплитуда движений суставов в случае контрактуры может быть увеличена путем их нагрева. Для нагрева сустава, окруженного значительным слоем мягких тканей, ультразвуковой способ наиболее предпочтителен, поскольку ультразвук лучше других форм диатермической энергии проникает в мышечную ткань. Болеутоляющее действие Многие пациенты отмечают ослабление болей при тепловом воздействиина пораженные области. Обезболивающий эффект может быть как кратковременным, так и продолжительным. При некоторых заболеваниях применение ультразвука для уменьшения болей дает наилучшие результаты . Ультразвук ослабляет фантомные боли после ампутации конечностей, а также боли , вызванные образованием рубцов и невром.
Механизмы болеутоляющего
действия пока неясны возможно, в них
вносят вклад и нетепловые эффекты.
Изменения кровотока При
даже на некотором расстоянии от места воздействия. При нагреве ультразвуком или электромагнитном излучением наблюдаются сходные эффекты. При импульсном облучении когда тепловые эффекты не велики также изменяется кровоток. Эти изменения сохраняются около получаса после окончания процедуры. Местное расширение сосудов увеличивает поступления кислорода в ткань и, следовательно, улучшает условия, в которых находятся клетки. Возможно, именно этим объясняется терапевтический эффект, а также нередко наблюдаемое усиление воспалительной реакции. Уменьшение мышечного спазма Прогревание может уменьшить мышечный спазм. По-видимому, это обусловлено седативным успокаивающим действием повышения температуры на периферические нервные окончания. Ультразвук также может быть использован для этой цели.
Степень физиологической реакции на прогревание зависит от большого числа факторов, включающих достигаемую температуру, время прогревания, размер прогреваемой зоны и скорость увеличения температуры. Ультразвук позволяет быстро нагреть строго определенную область. К анатомическим структурам, которые избирательно нагреваются ультразвуком, относятся богатые на коллаген поверхностные слои кости, надкостница, суставные мениски, синовиальная жидкость, суставные сумки, соединительные
ткани, внутримышечные рубцы, мышечные волокна, оболочки сухожилий и главные нервные стволы. В ряде случаев ультразвук может быть более эффективной формой диатермии, чем коротковолновые излучения, парафиновые аппликации и инфракрасное излучение. Оценка безопасности применения ультразвука в медицине Как научные, так и профессиональные интересы обязывают ученых выяснить, какую опасность для пациента и оператора представляет использование ультразвука.
В настоящее время невозможно выделить один или даже несколько физических параметров, которые служили бы в качестве адекватных количественных характеристик, позволяющих предсказать конечный биологический эффект. В отсутствии адекватной информации, на основе которой должны быть установлены максимально допустимые дозы при применении ультразвука в медицине, было бы полезным выдвинуть некоторые критерии для правильного применения ультразвука. Ряд таких критериев может быть обобщен следующим образом 1.
Методики ультразвукового исследования
Ультразвуковое исследование
(сонография) является одним из наиболее
информативных методов неинвази
В последние годы за счет скачка технологий стало возможным получение не только двухмерных "срезов", но и объемных изображений органов, плода в матке и т.п.
В отличие от других методов лучевой диагностики (флюорографии, рентгена, компьютерной томографии и ядерно-магнитного резонанса) сонография в тех дозах, которые применяются в УЗИ - безвредна для человека.
УЗИ-иследования применяются для диагностики заболевания, определения хода протекания беременности, наблюдения за динамикой процесса и оценки результатов лечения. Благодаря своей безопасности ультразвуковая диагностика получила широкое распространение.
УЗИ-диагностика, как правило, не требует какой-либо специальной подготовки больного. Исследование органов брюшной полости, в основном, производят утром натощак, женских половых органов, предстательной железы и мочевого пузыря - при наполненном мочевом пузыре. Для лучшего контакта ультразвукового датчика с поверхностью тела кожу смазывают специальным гелем.
Ультразвуковая диагностика позволяет получить важную информацию о состоянии различных органов -печени, поджелудочной железы, селезенки, почек, мочевого пузыря, предстательной железы, надпочечников, щитовидной железы и др. В акушерской клинике - определить срок беременности и расположение плода, отставание в его развитии и врожденные пороки, установить неразвивающуюся беременность, полный или неполный выкидыш.

- Ультразвук. Применение ультразвука в медицине
- Ультразвук. Применение ультразвука в фармации
- Ультра и инфразвук как профессиональные факторы
- Ультраструктура и биохимический состав мышц
- Ультраструктура мітохондрій
- Ультраструктурная патология клетки
- Ультрафиолетовая спектрофотометрия
- Ультразвуковая сварка
- Ультразвуковая терапевтическая аппаратура
- Ультразвуковая терапия
- Ультразвуковое исследование
- Ультразвуковое исследование в акушерстве
- Ультразвуковой контроль
- Ультразвуковой контроль. Ультразвуковая дефектоскопия