Материал: КР3 (УЗИ-материалы)

Затухание ультразвука

Поглощенная биосредой УЗ-энергия выделяется в основном в виде тепла, что приводит к повышению температуры вещества. Это повышение температуры неоднократно измеряли экспериментально и рассчитывали теоретически. Теплопродукция в разных тканях неодинакова из-за различий в их коэффициентах поглощения.

• Можно показать, что в мышечной ткани толщиной в 1 см при интенсивности 1 Вт/см² в течение секунды поглощается около 0,3 Вт. Этому соответствует выделение тепла, достаточное для нагревания 1 см³ воды на 0,1.

• Полагая, что теплоемкость мышечной ткани и воды примерно одинакова, легко подсчитать (без учета рассеивания тепла), что мышечная ткань в этих условиях нагревается на 1°С за 10 с. Экспериментально повышение температуры в тканях наблюдали многие авторы.

• Однако результаты их исследований существенно различаются, что может быть обусловлено неравномерностью ультразвукового поля разных излучателей, различной степенью неоднородности исследованных тканей, разными условиями рассеивания теплоты.

• При облучении, например, брюшной полости собаки ультразвуком (0,5 Вт/см²; 0,88 МГц) температура в жировой ткани за 10 мин повышается на 3-4 °С, а в печени и на передней стенке желудка - на 0,5 - 0,8.

• В икроножной мышце лягушки, облучаемой ультразвуком (1 Вт/см²; 0,88 МГц) в течение 5 мин, температура повышается не более, чем на 5-7 °С.

Порог теплового повреждения тканей мало зависит от их начальной температуры, режима облучения и частоты ультразвука. Если температура ткани в ультразвуковом поле не превышает 42-43°С, то, по данным некоторых авторов, морфологические изменения в ней не наблюдаются даже после 8-часового облучения.

• Значительно больше, чем в объеме однородной ткани, выделяется теплота на границах раздела тканей с отличающимися акустическими сопротивлениями или на неоднородностях структуры ткани. Возможно, именно этим объясняется и то, что ткани со сложной архитектоникой (например, легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (например, печень). Полагают, что нагревание тканей и градиенты температур на границах раздела разных тканей в основном и обусловливают биологическое действие ультразвука. Однако имитация ультразвукового нагревания тканей с помощью других термогенных воздействий - инфракрасным излучением, высокочастотными электромагнитными волнами, горячим парафином и пр. не дает того биологического и терапевтического эффекта, которого удается достичь с помощью ультразвука.

Ультразвук на границе сред

• Отражение УЗ на границе раздела сред зависит от соотношения волнового сопротивления сред.

Волновое сопротивление является характеристикой среды, определяющей условие отражения и преломления волн на границе сред.

Пусть УЗ-волна падает нормально на границу раздела сред. Интенсивность падающей волны -I₁, интенсивность преломленной волны –I₂.

I₂/ I₁=β - коэффициент проникновения звуковой волны.

По закону Релея:

β= (4c₁ρ₁/c₂ρ₂) / { c₁ρ₁/c₂ρ₂+1}²

При c1ρ1 = c2ρ2 коэффициент проникновения максимален и равен 1. В этом случае УЗ волны проходят во вторую среду без отражения.

Если c1p1<<c2p2, то c1p1/c2p2<<1 и коэффициент проникновения β рассчитывается по формуле:

Β = (4c1p1/c2p2).

В этом случае проникновение будет незначительное, а отражение УЗ-волны максимальное. Например, коэффициент проникновения на границе воздух-кожа составляет 0.08%.

• Если волновые сопротивления сред соизмеримы, то часть волнового потока отражается, а часть его проходит во вторую среду. В этом случае коэффициент проникновения рассчитывается по формуле Релея.

• Например, на границе глицерин-кожа коэффициент проникновения составляет 99,3%, а доля отраженной волны составляет 0.7%. Следовательно, если УЗ-излучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникает внутрь, т.к. практически полностью отражается от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. При использовании водного желе, которым покрывают поверхность кожи, интенсивность преломленной (проникающей) волны наибольшая.

• УЗ-волны обладают высокой отражательной способность на границе мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов.

• Если на пути распространения УЗ волны встречается другая среда, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая – отражается в первую среду.

• На границе раздела происходят основные явления: отражение, преломление и трансформация волн.

• Преломление – это изменение направления распространения волны, а трансформация – преобразование (превращение) волны одного типа в другой.

• Переходы исходного состояния волны в другие связаны энергетическими соотношениями, определяемыми, главным образом, типом падающей волны, углом ее падения и соотношением удельных акустических сопротивлений обеих сред.

В общем случае, если волна падает на границу раздела двух твердых сред под углом β из первой среды во вторую, то в обеих средах возникают четыре волны: в каждой по две волны продольного и поперечного типа.

Причем при облучении продольной «l» -волной образуются отраженные продольная «l₁» и поперечная «t₁», возникшая в результате явления трансформации, и две преломленные волны «l₂» и «t₂», из которых последняя трансформированная (рисунок слева).

При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны «l₁» и «t₁», но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные –«l₂» и «t₂», где волна продольного типа «l₂» также трансформированная (рисунок справа).

• Углы отражения β_e1, β_t1и α_e1, α_t1 преломления (ввода) отсчитываются от нормали к границе раздела в точке падения (ввода), они связаны между собой и углом падения β через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов» в оптике» в оптике).

Отражение и преломление уз-волн при различных углах падения

• Первый критический угол.

Увеличиваем угол падения (рис. слева) до тех пор, когда уже продольная волна не вводится во вторую среду, а «скользит» вдоль границы раздела, т.е. α_e=90⁰. При этом угол падения принимает значение β_e= β_kp1. Например, для пары «оргстекло-сталь» первый критический угол β_kp1=27,5⁰.

• Пусть в диапазоне β_e> β_kp1 растет β_e.(рис. центр) Во вторую среду вводится поперечная волна. При значении β_e= β_kp2 уже поперечная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред. Например, для пары «оргстекло-сталь» второй критический угол существует и равен 54⁰. Заметим, что выполнение условия β_kp1<β< β_kp2 на практике используется как способ возбуждения поперечных волн.

• За вторым критическим углом во вторую среду уже ничто не вводится. Вдоль поверхности в этом случае распространяется неоднородная волна. Она самостоятельно не существует, в данном случае она «живет» за счет энергии падающей, является продольной, но на своем пути теряет энергию, переизлучая ее в поперечную (рис. справа), и с глубиной быстро затухает.

Действие уз на ткани

• При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия: механическое, тепловое и химическое.

1. Механическое действие.

В жидких средах при действии ультразвука амплитуда переменного давления изменяется в зависимости от плотности среды, скорости распространения УЗ-волн и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения (пониженное давление) жидкость может разорваться и в ней могут образоваться микрополости (каверны), заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией.

Растяжение, которое могут выдержать жидкости зависит от примесей в них (наличие газов и газовых пузырьков). При образовании каверн плотность жидкости понижается, а скорость колебательного движения частиц увеличивается. Таким образом УЗ-волны оказывает механическое действие, в основе которого лежит действие переменного давления, создающего кавитацию.

Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны. Исследованиями показано, что кавитация может быть использована для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток (сонопорация).

Разрушение лейкоцитов в поле стабильных, пульсирующих с частотой 20 кГц пузырьков начинается при увеличении амплитуды колебаний до 8 мкм, высвобождение гемоглобина из эритроцитов - при 15...20 мкм. Очевидно, что эти эффекты обусловлены возникновением достаточно больших гидродинамических усилий вблизи колеблющегося пузырька, нарушающих целостность клеточных мембран.

При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из популяций элодеи равен 75 мВт/см² и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см² (5 МГц). УЗ дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран.

Вопрос о кавитации в биологических тканях под действием ультразвука с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05-2 Вт/см² является предметом многолетней дискуссии. Сложность идентификации кавитации в ткани обусловлена ее относительной непрозрачностью, препятствующей непосредственному наблюдению и затрудняющей применение оптических методов. Косвенным подтверждением возникновения кавитации в тканях могут служить «дыры», обнаруженные на гистологических препаратах тканей печени и других органов, облученных УЗ с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05-2 Вт/см².

Магнитострикция

Магнитострикция - отличительная особенность ферромагнитных материалов изменять размеры при воздействии магнитных полей.

Джеймс Джоуль обнаружил эту особенность в 1842 г., анализируя образец никеля.

Изменение формы тела может проявляться, например, в растяжении, сжатии, изменении объёма, что зависит как от действующего магнитного поля, так и от кристаллической структуры тела. Наибольшие изменения размеров обычно происходят у сильномагнитных материалов.

Магнитострикция используется для генерации ультра и гиперзвука. Для гиперзвука с частотой порядка 1 ГГц магнитострикция остается практически единственным реальным методом его получения.

Пьезоэлектрический эффект

Прямой эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Обратный эффект был предугадан в 1881 году Липпманом исходя из термодинамических соображений. В том же году экспериментально открыт братьями Кюри.

ПРЯМОЙ эффект - ПРИЕМ уз колебаний.

Прямой пьезоэлектический эффект - при внешнем механическом воздействии, которое вызывает деформацию монокристаллов, на их гранях возникают противоположные по знаку электрические заряды.

Обратный пьезоэлектрический эффект - при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет его механическая деформация, под которой оно будет расширяться или сжиматься.

ОБРАТНЫЙ эффект - ГЕНЕРАЦИЯ уз колебаний.

Принцип работы эхолокатора: Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Процесс уз сканирования

– генерация ультразвуковых волн (обратный пьезоэлектрический эффект);

– проникновение ультразвуковых волн в ткани;

– взаимодействие ультразвука с тканями, отражение от границ раздела сред в виде различной силы «эха»;

– преобразование отраженных сигналов в электрический сигнал (прямой пьезоэлектрический эффект);

– регистрация электрического сигнала с помощью различных видов регистрации отраженных сигналов или различных видов развертки изображения.

Строение датчика: смола, керамический преобразователь, корпус, кабель, акустический поглотитель.

Сигналы, используемые в уз датчике

Сигнал А является запорным сигналом, используемым для управления посылаемыми сигналами.

Сигнал В содержит выходной и отраженный сигналы.

Сигнал С – выделяет сигналы передачи или приема. Для того, чтобы установить различие между посылаемыми и принимаемыми сигналами, вводятся временные окна (сигнал D). Временной интервал dt является минимальным временем измерения, аt1+t2 - максимальным. Эти временные интервалы соответствуют прохождению определенных расстояний со скоростью распространения звука в используемой рабочей среде.

После получения отраженного сигнала (в то время, когда сигнал D имеет максимальное значение), вырабатывается сигнал Е, величина которого принимает нулевое значение после окончания действия передающего импульса А. Сигнал F вырабатывается при появлении положительного импульса Е и сбрасывается в случае отсутствия сигнала Е и появления импульса А.

Таким образом, сигнал F будет иметь максимальное значение при наличии объекта на расстоянии, определяемом параметрами сигнала D, т.е. сигнал F является выходным сигналом ультразвукового датчика, работающего в бинарном режиме.