Ультразвуковое исследование. Методы ультразвуковой диагностики

Ультразвуковое исследование (УЗИ) — неинвазивное исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн.

Физические основы

Физическая основа УЗИ — пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды — прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приемником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения молекул вещества, которые совершают колебательные движения. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания — временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой — числом колебаний в единицу времени; длиной — расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.

Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости ультразвука. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «импеданс».

Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь ею, другая — отражается. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.

В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

Для исследования органов брюшной

Ультразвуковые методы исследований (стр. 1 из 2)

Ультразвуковые методы исследований

1. Понятие УЗ

Ультразвуковые волны — это упругие колебания среды с частотой, лежащей выше диапазона слышимых человеком звуков — выше 20 кГц. Верхним пределом ультразвуковых частот можно считать 1 – 10 ГГц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяются ультразвуковые волны. Они обладают высокой проникающей способностью и проходят через ткани организма, не пропускающие видимого света. Ультразвуковые волны относятся к числу неионизирующих излучений и в диапазоне, применяемом в диагностике, не вызывают существенных биологических эффектов. По средней интенсивности энергия их не превышает при использовании коротких импульсов 0,01 Вт/см². Поэтому противопоказаний к исследованию не имеется. Сама процедура ультразвуковой диагностики непродолжительна, безболезненна, может многократно повторяться. Ультразвуковая установка занимает мало места, не требует никакой защиты. Она может быть использована для обследования как стационарных, так и амбулаторных больных.

Таким образом, ультразвуковой метод — это способ дистантного определения положения, формы, величины, структуры и движений органов и тканей, а также патологических очагов с помощью ультразвукового излучения. Он обеспечивает регистрацию даже незначительных изменений плотности биологических сред. В ближайшие годы он, по всей вероятности, станет основным способом визуализации в диагностической медицине. В силу своей простоты, безвредности и эффективности он, в большинстве случаев, должен применяться на ранних этапах диагностического процесса.

Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации тел под действием электрического поля. Основной частью такого излучателя является пластина или стержень из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, керамический материал на основе титаната бария и др.). На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды. Если к электродам приложить, переменное электрическое напряжение от генератора, то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствующей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса. Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частое 2,87 МГц, сегнетовой соли — 1,5 МГц и титаната бария — 2,75 МГц.

Приемник УЗ можно создать на основе пьезоэлектрического эффекта (прямой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-волны) возникает деформация кристалла, которая приводит при пьезоэффекте к генерированию переменного электрического поля; соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.

Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. Рассмотрим этот вопрос.По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны УЗ существенноменьше длины звуковой волны. Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. «Непрозрачное» тело размером 1 м не будет препятстствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой дляУЗ-волны с длиной 1,4 мм, возникнет «УЗ-тень». Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию УЗ-волн,рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучианалогично преломлению и отражению световых лучей).

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца — надкостница— кость, на поверхности полых органов и т. д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п.(УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерывное, таки импульсное излучения. В первом-случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.

Волновое сопротивление (импеданс) биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.

Скорость распространения ультразвуковых воли и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики.

2. Источник и приемник ультразвукового излучения

Ультразвуковую диагностику осуществляют с помощью ультразвуковой установки. Она представляет собой сложное и вместе с тем достаточно портативное устройство, выполняется в виде стационарного или передвижного аппарата. Для генерирования УЗ используют устройства, называемые УЗ-излучателями. Источник и приемник (датчик) ультразвуковых волн в такой установке — пьезокерамическая пластинка (кристалл), размещенная в антенне (звуковом зонде). Эта пластинка — ультразвуковой преобразователь. Переменный электрический ток меняет размеры пластинки, возбуждая тем самым ультразвуковые колебания. Применяемые для диагностики колебания обладают малой длиной волны, что позволяет формировать из них узкий пучок, направляемый в исследуемую часть тела. Отраженные волны воспринимаются той же пластинкой и преобразуются в электрические сигналы. Последние поступают на высокочастотный усилитель и далее обрабатываются и выдаются пользователю в виде одномерного (в форме кривой) или двухмерного (в форме картинки) изображения. Первое называют эхограммой, а второе — ультрасонограммой (сонограммой) или ультразвуковой сканограммой.

Частоту ультразвуковых волн подбирают в зависимости от цели исследования. Для глубоких структур применяют более низкие частоты и наоборот. Например, для изучения сердца используют волны с частотой 2,25—5 МГц, в гинекологии — 3,5—5 МГц, для эхографии глаза — 10—15 МГц. На современных установках эхо- и сонограммы подвергают компьютерному анализу по стандартным программам. Распечатка информации производится в буквенной и цифровой форме, возможна запись на видеоленте, в том числе в цвете.

Все ультразвуковые установки, кроме основанных на эффекте Допплера, работают в режиме импульсной эхолокации: излучается короткий импульс и воспринимается отраженный сигнал. В зависимости от задач исследования употребляют различные виды датчиков. Часть из них предназначена для сканирования с поверхности тела. Другие датчики соединены с эндоскопическим зондом, их используют при внутриполостном исследовании, в том числе в комбинации с эндоскопией (эндосонография). Эти датчики, а также зонды, созданные для ультразвуковой локации на операционном столе, допускают стерилизацию.

По принципу действия все ультразвуковые приборы делят на две группы: эхоимпульсные и допплеровские. Приборы первой группы служат для определения анатомических структур, их визуализации и измерения. Приборы второй группы позволяют получать кинематическую характеристику быстро протекающих процессов — кровотока в сосудах, сокращений сердца. Однако такое деление условно. Существуют установки, которые дают возможность одновременно изучать как анатомические, так и функциональные параметры.

3. Объектультразвуковогоисследования

Благодаря своей безвредности и простоте ультразвуковой метод может широко применяться при обследовании населения во время диспансеризации. Он незаменим при исследовании детей и беременных. В клинике он используется для выявления патологических изменений у больных людей. Для исследования головного мозга, глаза, щитовидной и слюнных желез, молочной железы, сердца, почек, беременных со сроком более 20 нед. специальной подготовки не требуется.

Больного исследуют при разном положении тела и разном положении ручного зонда (датчика). При этом врач обычно не ограничивается стандартными позициями. Меняя положение датчика, он стремится получить возможно полную информацию о состоянии органов. Кожу над исследуемой частью тела смазывают хорошо пропускающим ультразвук средством для лучшего контакта (вазелином или специальным гелем).

Ослабление ультразвука определяется ультразвуковым сопротивлением. Величина его зависит от плотности среды и скорости распространения в ней ультразвуковой волны. Достигнув границы двух сред с разным импедансом, пучок этих волн претерпевает изменение: часть его продолжает распространяться в новой среде, а часть отражается. Коэффициент отражения зависит от разности импеданса соприкасающихся сред. Чем выше различие в импедансе, тем больше отражается волн. Кроме того, степень отражения связана с углом падения волн на граничащую плоскость. Наибольшее отражение возникает при прямом угле падения. Из-за почти полного отражения ультразвуковых волн на границе некоторых сред, при ультразвуковом исследовании приходится сталкиваться со «слепыми» зонами: это — наполненные воздухом легкие, кишечник (при наличии в нем газа), участки тканей, расположенные за костями. На границе мышечной ткани и кости отражается до 40% волн, а на границе мягких тканей и газа — практически 100%, поскольку газ не проводит ультразвуковых волн.

4. Методы ультразвукового исследования

Наибольшее распространение в клинической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики: одномерное исследование (эхография), двухмерное исследование (сканирование, сонография) и допплерография. Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.

Ультразвук: шаг в медицину

Сегодня сложно представить медицинскую диагностику без такого метода, как ультразвуковое исследование. Появившись в середине прошлого века, УЗИ-сканеры произвели настоящую революцию в медицине. Ультразвуковая диагностика продолжает активно развиваться. На смену обычной двухмерной картинке приходят новые технологии. Недавно первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса производства «Калугаприбор» концерна «Автоматика» представил холдинг «Швабе», отвечающий за маркетинговую стратегию и продажи этого оборудования.

О том, что такое ультразвук, как появились УЗИ-сканеры и о новейшей технологии 5D в ультразвуковом исследовании – в нашем материале.

На ультразвуковой волне

Многие помнят определение звука из школьного учебника по физике: «Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом». Таким образом, диапазон звуковых волн лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Звуки именно такой частоты способен слышать человек. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, а с частотой выше 20 кГц – ультразвуком.

В то время как человеку инфразвук и ультразвук недоступны, многие живые существа вполне нормально общаются в этих частотах. Например, слон различает звук частотой от 1 Гц, а в верхнем пределе слышимости лидируют дельфины – максимум слухового восприятия у них доходит до 150 кГц. Кстати, ультразвук вполне способны уловить собаки и кошки. Собака может слышать звук до 70 кГц, а верхний порог звукового диапазона у кошек равен 30 Гц.

Если для некоторых животных ультразвук – обычный способ общения, то людям о наличии в природе «невидимых» звуковых волн лишь приходилось догадываться. Опыты в этой сфере проводил еще Леонардо да Винчи в XV веке. Но открыл ультразвук в 1794 году итальянец Ладзаро Спалланцани, доказав, что летучая мышь с заткнутыми ушами перестает ориентироваться в пространстве.

УЗИ: физические основы

В XIX веке ультразвук произвел настоящий бум в научной среде, стали проводиться первые научные опыты. Например, в 1822 году, погрузив в Женевское озеро подводный колокол, удалось вычислить скорость звука в воде, что предопределило рождение гидроакустики.

Ближе к концу века, в 1890 году, учеными Пьером и Жаком Кюри было открыто физическое явление, которое вошло в основу ультразвукового исследования. Братья Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект. Заключается он в том, что при механической деформации некоторых кристаллов между их поверхностями возникает электрическое напряжение.

Пьер Кюри и кварцевый пьезоэлектрометр

На основе таких пьезокерамических материалов и создается главный компонент любого УЗИ-оборудования – преобразователь, или датчик, ультразвука. На пьезоэлементы подается ток, который преобразуется в механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Пучок ультразвуковых волн распространяется в тканях организма, часть его отражается и возвращается обратно к пьезоэлементу. Основываясь на времени прохождения волны, оценивается расстояние.

Ультразвук в медицине: от лечения артрита до диагностики

В медицине ультразвук вначале использовали как метод лечения артритов, язвенной болезни желудка, астмы. Было это в начале 30-х годов прошлого века. Считалось, что ультразвук обладает противовоспалительным, анальгезирующим, спазмолитическим действием, также усиливает проницаемость кожи. Кстати, сегодня на этом основан фонофорез – метод физиотерапии, когда вместо обычного геля для УЗИ наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани.

Но свое основное применение в области медицины ультразвук нашел как метод диагностики. Основателем УЗИ-диагностики считается австрийский невролог, психиатр Дьюссик. В 1947 году он рассмотрел опухоль мозга, учитывая интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента.

Настоящий прорыв в развитии ультразвуковой диагностики произошел в 1949 году, когда в США был создан первый аппарат для медицинского сканирования. Это устройство мало чем напоминало современные УЗИ-сканеры. Оно представляло собой резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент, вынужденный долгое время сидеть неподвижно, пока вокруг него передвигался сканер брюшной полости – сомаскоп. Но начало было положено. УЗИ-сканеры совершенствовались очень стремительно, и к середине 60-х годов они стали приобретать привычный вид с мануальными датчиками.

Благодаря развитию микропроцессорной технологии в течение 1980-1990-х годов качество УЗИ намного улучшилось. В это время ультразвуковую диагностику стали активно применять в различных областях медицины, оценив ее безвредность по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией. Особо широкое применение ультразвук нашел в акушерстве и гинекологии. Уже в конце 1990-х годов во многих странах УЗИ стало стандартным исследованием, с помощью которого определяли срок беременности, выявляли пороки развития плода.

Взгляд изнутри: современные технологии в УЗИ

Сегодня отечественное здравоохранение закупает у зарубежных поставщиков порядка 3 тысяч УЗИ-сканеров в год. Дело в том, что до последнего времени такие устройства не выпускались серийно в России.

Эксперименты по применению ультразвука проводились и у нас в стране. В 1954 году в институте акустики Академии наук СССР даже появилось специализированное отделение, а в 1960-е годы был налажен выпуск отечественных УЗИ-сканеров. Но все они так и остались в статусе экспериментальных, не получили массового применения на практике, а к 1990-м годам и вовсе были замещены импортными аналогами.

В прошлом году Ростех в рамках программы импортозамещения наладил серийное производство российских УЗИ-сканеров – «РуСкан 50» и «РуСкан 60» на мощностях «Калугаприбор», входящего в концерн «Автоматика». Они относятся к среднему и высокому классу, в них применяются новейшие технологии, такие как 3D/4D-изображение, а также эластография, то есть УЗИ с применением дополнительного фактора – давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.

Методы ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. В этом году к производственной линейке Ростех добавил аппараты экспертного класса. Госкорпорация представила новинку на форуме БИОТЕХМЕД – «РуСкан 65М» в рамках экспозиции холдинга «Швабе», который реализует маркетинговую стратегию и осуществляет продажи изделия. Это первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса.

Что означает определение «экспертный» в классификации УЗИ-сканеров? Основной критерий – это разрешающая способность. Здесь используются высокоплотные датчики, способные различать мельчайшие детали структур. Как упоминалось выше, каждый преобразователь имеет определенный набор пьезоэлементов. В аппаратах недорогого класса плотность этих элементов невысока. Чем больше плотность, тем более точной и достоверной будет диагностика.

Второй, не менее важный критерий – какой набор программ заложен в данном оборудовании. Для того чтобы обеспечивать высокий уровень исследования, как правило, применяют очень дорогие пакеты программного обеспечения. Это позволяет визуализировать наиболее тонкие детали, изменения структур органов, сосудов и тканей. Кстати, в «РуСкан 65М» программное обеспечение – российского производства.

В новом изделии не только улучшено качество получаемого изображения, но и внедрены автоматизированные методы его обработки и анализа. Так, визуальную оценку плода осуществляет программа реконструкции полупрозрачного 3D УЗИ Crystal Vue, которая за счет усиления визуализации одновременно наружных и внутренних структур в одном реконструированном трехмерном изображении позволяет увеличить информативность и диагностическую достоверность исследования за счет повышения контрастности и подсветки внутренних структур дополняет объемное изображение морфологической информацией об объекте исследования, повышая точность диагностики. Среди других технологий новинки – программа автоматического анализа образований молочной железы S-Detect Breast. Еще одна функция изделия – фантастическая 5D Heart Color, которая реконструирует девять проекций сердца плода с одновременным отображением кровотока. Полученные данные позволяют наиболее детально оценить сердце на предмет врожденных патологий.

Таким образом, в течение нескольких десятилетий применение УЗИ в медицине претерпело огромные изменения, особенно в акушерстве: от простого измерения размеров плода до детальной оценки его кровотока и внутренних органов. То, что было технически невозможно еще совсем недавно, сегодня превращается в привычную составляющую рутинного ультразвукового исследования.

Методики проведения ультразвуковой терапии (УЗТ)

Важнейшее значение при проведении процедур имеет техника озвучивания.

Различают лабильную (подвижную) и стабильную (неподвижную) методики воздействия ультразвука.

При озвучивании излучатель должен быть ориентирован строго перпендикулярно к поверхности кожи. Если этот угол нарушен, коэффициент отражения увеличивается и, следовательно, уменьшается коэффициент проникновения ультразвука в ткани.

Перед ультразвуковым воздействием желательно подготовить кожу к процедуре посредством пилинга.

Лабильная методика УЗТ

Наиболее часто используется подвижная методика. Заключается она в том, что излучатель медленно (со скоростью 1-2 см/сек) передвигается по подлежащей воздействию поверхности тела пациента, совершая при этом поглаживающие продольные и круговые движения с легким нажимом.

Перед началом процедуры поверхность кожи смазывается контактным средством для обеспечения акустического контакта тела пациента и излучателя. Лучше всего использовать специальные контактные среды в виде геля типа «CONTACT ULTRA», «Репак-Т», или их зарубежные аналоги.

Если речь идёт о сочетанном воздействии ультразвука и лекарственного вещества — методе ультрафонофореза – под контактную среду можно нанести раствор лекарственного вещества.

Ультразвуковая волна обладает способностью быстро затухать и не распространяется через воздух. Поэтому при озвучивании тканей используют контактную среду, например, гель или масло.

После нанесения контактной среды головку излучателя устанавливают на поле (поверхности кожи) и только после этого включают аппарат. Излучатель перемещают плавными волнообразными движениями без отрыва от поверхности кожи.

Некоторые аппараты ультразвуковой терапии подают сигнал при отрыве излучателя от поля. Излучатель надо держать строго перпендикулярно озвученному полю.

Стационарная методика УЗТ

При стабильной методике излучатель устанавливается соответственно локализации очага поражения и удерживается в таком положении в течение всего времени процедуры.

В настоящее время стационарная методика применяется редко, так как вследствие механической неоднородности тканей и возможного формирования «стоячих» волн стабильное озвучивание может привести к локальному перегреву тканей.

Стабильная методика используется преимущественно в офтальмологической, стоматологической и ЛОР-практике, так как для лечения этих заболеваний имеются специальные излучатели с герметическими ванночками, а также при воздействии УЗ по точкам акупунктуры.

В общей физиотерапевтической практике используют лишь элементы стабильной методики, а именно озвучивание проводят по подвижной методике с задержкой излучателя в местах выраженной болезненности в течение нескольких секунд.

Ультразвуковая терапия через воду

При ультразвуковом воздействии на части тела сложных конфигураций и невозможности достичь полного контакта излучателя с кожей (при воздействии на кисти, стопы, локтевой сустав, рубцовые поверхности и т.д.) используют так называемую субаквальную методику. Процедуру проводят в ванночке с водой или через резиновый мешочек с водой. Одна его поверхность принимает форму озвучиваемого участка, а вторая контактирует с излучателем.

При субаквальной методике используют либо дистиллированную, либо дегазированную воду. При этой методике в пластмассовую ванночку с теплой водой (30-32° С) погружают часть тела, подлежащую воздействию. Затем опускают в воду излучатель и совершают им медленные движения на расстоянии 1-2 см от кожной поверхности соответственно расположению патологического очага. Пузырьки воздуха, появляющиеся на коже, следует удалять кисточкой.

Излучатель при этой методике может быть неподвижно закреплен на специальном держателе на расстоянии 1-2 см от поверхности, подлежащей озвучиванию.

Ультразвуковой метод измерения расхода

Диапазон частот от 20кГц до 1000 МГц.

         Для прохождения волны и её интерпретации необходимы приемник и передатчик, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом. Таким эффектом обладают следующие материалы кварц, турмалин, тартрата калия, сульфата лития, титанат бария, цирконат титаната свинца. Помещая пьезоэлектрический кристалл в электрическое поле упругая деформация вызывает уменьшение или увеличение его длины в соответствии с величиной и направлением полярности поля.

Прикладывая напряжение, размеры пьезокерамических элементов изменяются. При механических воздействиях пьезокерамический элемент генерирует электрический ток.
Поэтому пьезокерамические элементы используются в качестве излучателей и приемников сигнала, т.е. как приемопередатчики.

1. Конструкция ультразвуковых расходомеров

         Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены пьезоэлемента.
         Диаметр пьезоэлемента находится в пределах 5-20 милиметров, а его толщина выбирается в зависимости от частоты. В частотных и время-импульсных расходомерах для повешения точности измерений используют частоты 5-20 Мгц.. Обычно в жидкостях применяются частоты ( 50 кГц — 2 МГц. В газовых средах необходимо уменьшать частоты до сотен и десятков Кгц, это вызвано сложностью создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.

Преобразователи сферического излучения

Данные конструкции применяются в трубах малого диаметра. В качестве преобразователей используются кольцевые пьезопреобразователи, которые создают сферическое излучение. В схеме А , каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебани

Преобразователи с отражателями

Преобразователи с отражателями. Одна из лучших схем для защиты пьезопрезобрателей от условий агрессивной среды и механических примесей в жидкости. В данном случае волна подается от передатчиков-излучателей и, отражаясь от стенок отражателя, попадает на приемник Конструкция 2 А применяется в расходомерах фирмы Kamstrup диаметром до 40 мм.

Схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний.

На рисунках А,В,С показаны однолучевые конструкции расходомеров. На рисунке А,D, E трубопровод снабжается особыми впадинами — карманами, в глубине которых находятся пьезоэлементы. Данные конструкции применяются для чистых и неагрессивных сред, так как возможно засорение данных полостей. Также вследствие свободных полостей возможно появление вихрей, влияющих на показание расходомера. Конструкция В лишена данных недостатков, за счет заполнения данных полостей металлом или органическим стеклом. В конструкции С , пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлические стенки трубы и измеряемому веществу. Чувствительность сигнала гораздо хуже, из-за паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением колебаний по стенке трубы. Для увеличения точности используется схемы с двумя, черемя, восьми парами преобразователей-излучателей рисунок D, E .

2. Принцип действия ультразвуковых расходомеров

2.1. Принципы определения расхода основанные на зависимости от времени

         Метод основан на факте, что ультразвуковому сигналу, направленному против движения потока, для прохождения расстояния от излучателя до приемника требуется больше времени, чем сигналу, направленному по ходу движения потока.

Анимация для объяснения принципа определения расхода, основанного на зависимости от времени.
         Понимая, что определить время с помощью секундомеров невозможно для данного метода, так как временная разность находится в пределах нано или пикосекунд были реализованы следующие принципы интерпретации сигнала:
— Фазные
— Частотные
— Время импульсные

2.1.1. Фазный принцип определения расхода

         Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов уз — колебаний, появляющихся на приемных пьезоэлементах. Данный принцип, также основан на разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Частота и амплитуда импульсов совпадают в данных расходомерах. Но иногда в конструкциях применяются близкие частоты 6 МГц и 6.01 МГц. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром

Сравнивания два сигнала, одинаковых по частоте и амплитуде получаем график, как на рисунке ниже. Из данного графика можно определить фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого (Т), после чего определить время и соответственно поток.

2.1.2 Частотный принцип определения расхода

         Суть их работы в следующем: синтезатор частоты подбирает такое значение частоты ультразвукового сигнала, чтобы по направлению потока укладывалось целое число волн ультразвуковых колебаний. Затем направление излучения реверсируется, и подбирается значение частоты, которое обеспечивает целое число волн против потока. Величина расхода в этом случае пропорциональна разности частот сигналов по потоку и против него. Частотные расходомеры в сравнении с импульсными и фазовыми более устойчивы к загрязнению измеряемой среды, так как прекращают измерение только тогда, когда достигнут результат, а не когда закончилось время импульса.

2.1.3 Время — импульсный принцип определения расхода

         Для определения времени прохождения импульса по потоку, генератор подает импульс на пьезоэлемент П1, который посылает в жидкость затухающие колебания. В момент передачи звуковых колебаний включается зарядное устройство, которое начинает вырабатывать напряжение. В момент прихода сигнала на пьезоэлемент П2 зарядное устрйтсво отключается. Максимальное значение напряжение пропорционально времени прохождения ультразвуковой волны по потоку жидкости. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 вырабатывается напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством.

2.2 Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.

         Данные расходомеры отличаются от ранее рассмотренных тем, что в них не используются акустические колебания, направленные по потоку и против него. В данных расходомерах звуковые колебания направлены перпендикулярно потоку. При этом происходит измерение степени отклонения луча, зависящего от скорости и химического состава измеряемого вещества, направленного перпендикулярно потоку. При этом лишь один пьезоэлемент (И) излучает акустические колебания. Регистрируются эти колебания одним или двумя пьезоэлементами (П1, П2).

         При скорости = 0 здесь выходной сигнал равен нулю, благодаря равенству акустической энергии, поступающей на пьезоэлементы П1 и П2, включенных навстречу друг другу. При движении жидкости правый приемный пьезоэлемент (П2) по сравнению с левым (П2) получает большее излучение . Рассматриваемые расходомеры просты по устройству. В данном методе точность измерения расхода ограничена малой чувствительностью самого метода.

2.3. Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте Доплера

         Метод Допплера использует эффект изменения частоты звука, отражающегося от движущихся частиц. Датчик расходомера излучает сигнал, направленный в поток жидкости. Этот сигнал отражается присутствующими в жидкости твёрдыми частицами или газовыми пузырьками. Частота отраженного сигнала отличается от исходной из-за движения жидкости (эффект Доплера). Контроллер расходомера измеряет сдвиг частоты и определяет значение скорости жидкости, которое используется для расчета расхода.

Отраженный от движущихся частиц УЗ сигнал, с помощью быстрого преобразования Фурье – БПФ (Fast Fourier Transform – FFT) трансформируется из временной области в частотную.

         Поскольку спектр отраженного сигнала достаточно широк, то находится усредненная частота. Далее вычисляется разница частоты исходного сигнала (сигнала передатчика) и полученной усредненной частоты отраженных сигналов. Эта разница частот в дальнейшем используется для определения скорости движения потока и, затем, для вычисления расхода.
         По сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами допплеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выходной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей — отражателем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2-3 %.
         Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое распространение. Они применяются главным образом для измерения расхода различных гидросмесей, в том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотности от окружающего вещества. Но и естественных неоднородностей (в том числе газовых пузырей), имеющихся в различных жидкостях, бывает достаточно для проявления эффекта Допплера. При их отсутствии рекомендуется вдувать в поток воздух или газ через трубку с отверстиями 0,25-0,5 мм на расстоянии перед преобразователем расхода. Расход вдуваемого газа составляет 0,005 0,1 % от расхода измеряемого вещества.

3. Применение

Ультразвуковой расходомер жидкости находит применение во многих отраслях промышленности, а также в научных исследованиях:
— Нефтедобыча и переработка
-Тепло и электрогенерация
-Водоочистка
-Коммунальное хозяйство
-Противопожарные системы
-Измерение скорости потоков подземных вод
         Экономичность и простота монтажа способствуют росту популярности ультразвуковых расходомеров. Они постепенно вытесняют механические счетчики за счет более высокой точности измерений и простоты обслуживания.
         Расходомеры с накладными датчиками используются для экспресс анализа потока без остановки технологического процесса.
         В настоящее время начинает прослеживаться тенденция к переходу от механических индивидуальных теплосчетчиков к ультразвуковым.

4. Преимущества и недостатки ультразвуковых расходомеров

Преимущества:
+ высочайшая точность
+ отсутствие вращающихся частей
+ широкий диапазон рабочих температур
+ Низкие потери давления
+ возможность измерения как жидких, так и газообразных продуктов
+ наличие врезных и накладных моделей
+ стабильность показаний
+ высокая надежность
+ Низкое потребление электричества, в результате чего производятся модели питаемые от батареек, повышенной емкости.
Недостатки:
— Высокие требования к однородности среды (чувствительность к наличию пузырьков воздуха в воде)
— Зависимость измерения от температуры воды
— подверженность электромагнитным помехам
— Грамотная настройка расходомера для конкретной цели
Решение проблемы :
         Для устранения Зависимость измерения от температуры воды в тело расходомера погружается термосопротивление, после обработки сигналов микропроцессором происходит коррекция потока по температуре. Для снижения зависимости от однородности среды используется поправка по методу Доплера. Для защиты от электромагнитных помех достаточно сделать выравнивание потенциалов между трубопроводами и расходомером. Данные принципы используется в расходомерах компании KAMSTRUP серии ULTRAFLOW® 54 (H), что делает данные расходомеры лидерами среди всех типов расходомеров для измерения тепла и холода.

5. Какого производителя выбрать

         Из выше изложенного становится понятно, что ультразвуковые расходомеры достаточно сложное изделие, требующее высокоточных расчетов и грамотного производственного процесса. Основная сложность изготовления данных расходомеров — это правильная интерпретация сигнала и точное расстояние между пьезоэлементами.
         Наша компания не рекомендует сомнительные ультразвуковые расходомеры Китайского производства. При выборе лучше остановиться на зарубежных расходомерах фирм:
kamstup (только для жидкостей)
krone (газ и жидкость)
panametrics(газ и жидкость)
endress+hauser
siemens
или на отечественных расходомерах научно-произведственных предприятий.

Мы очень долго писали данный материал, будем рады если Вы поставите лайк

Ультразвуковая терапия. Лечебные методики

Воздействие на суставы и паравертебральные зоны позвоночника

Ультразвук при заболеваниях суставов назначают местно на область пораженных суставов и на рефлексогенные (паравертебральные) зоны шейно-грудного отдела и пояснично-крестцового отделов позвоночника.

При этом могут быть использованы разные варианты лечения.

При первом варианте лечение начинают с воздействий на рефлексогенные, паравертебральные зоны, а затем подвергают воздействию пораженные суставы.

При втором варианте воздействия на паравертебральные зоны чередуют (через день) с воздействиями на область пораженных суставов.

Положение больного при воздействии на суставы может быть различным. При воздействии на плечевые, локтевые, коленные суставы кистей и стоп — сидя на стуле или кушетке; на тазобедренные -лежа на боку. Ультразвуковой излучатель при проведении процедуры перемещают непосредственно вокруг сустава, пяточной кости, подошвенной поверхности стопы и так далее. На область мелких суставов кистей и стоп (в том числе и при шпорах пяточных костей) воздействие проводят через воду.

Интенсивность ультразвука при подводном воздействии 0,4-0,8 Вт/см2, при контактном способе она зависит от локализации сустава. Так, на плечевые, локтевые, лучезапястные суставы воздействуют интенсивностью 0,2-0,6 Вт/см2; на голеностопные и тазобедренные — 0,6-0,8 Вт/см2.

Область плечевого сустава (рис. 291). Назначают воздействия вокруг сустава интенсивностью 0,2-0,4 Вт/см2, режим непрерывный, методика лабильная, способ контактный. Продолжительность процедуры 5-8 мин, назначают через день. На курс лечения назначают 6-10 процедур.

Рис. 291. Воздействие ультразвука на плечевой сустав

Рис. 292. Воздействие ультразвуком контрактно и через воду: а, б — на локтевой сустав; в, г — на кисть

Область локтевого сустава и кисть (рис. 292). Применяют воздействие вокруг сустава интенсивностью 0,2-0,6 Вт/см2, режим непрерывный, методика лабильная, способ контактный или через воду.

Продолжительность процедуры 5-10 мин: ежедневно или через день; на курс лечения 6-10 процедур.

Область коленного сустава (рис. 293): применяют воздействие вокруг сустава (исключая область надколенника) интенсивностью 0,4-0,6 Вт/см2, режим непрерывный, методика лабильная, способ контактный. Продолжительность процедуры составляет 5-10 мин; ежедневно или через день, на курс лечения 6-10 процедур.

Рис. 293. Воздействие ультразвуком на коленный сустав: а — спереди; б — снаружи; в — сзади
Рис. 294. Воздействие ультразвуком на область тазобедренного сустава
Рис. 295. Воздействие ультразвуком на голеностопный сустав

Область тазобедренного сустава (рис. 294): назначают воздействие вокруг сустава интенсивностью 0,6-0,8 Вт/см2, режим непрерывный, методика лабильная, способ контактный. Продолжительность процедуры 5-10 мин, ежедневно или через день, на курс 6-10 процедур.

Область голеностопного сустава (рис. 295). Воздействуют вокруг сустава интенсивностью 0,4-0,6 Вт/см2, режим непрерывный, методика лабильная, способ контактный или в ванночке через воду, продолжительность 5-10 мин, ежедневно или через день, на курс 6-10 процедур.

Область пяточных костей (рис. 296) стопы: применяют ультразвук интенсивностью 0,4-0,6-0,8 Вт/см2, режим непрерывный, методика лабильная, способ контактный или в ванночке через воду. Продолжительность процедуры 3-5 мин на каждую ногу, ежедневно или через день, на курс 10-15 процедур.

Рис. 296. Воздействие ультразвуком на пяточные кости
Рис. 297. Воздействие ультразвуком на паравертебральные зоны позвоночника
Рис. 298. Воздействие ультразвуком на нервы ноги: а — бедренный нерв; б — седалищный нерв

Воздействия на паравертебральные зоны позвоночника

Воздействия на паравертебральные зоны позвоночника (рис. 297) проводят паравертебрально вдоль позвоночного столба на различные его отделы (шейный, грудной, поясничный, крестцовый). Ультразвуковую процедуру паравертебрально проводят в положении лежа на кушетке или сидя на стуле. Больной сидит лицом к спинке стула с согнутыми в локтевых суставах руками, которые кладет на спинку стула и подбородком упирается в них.

Паравертебральные зоны — области шириной 3 см, располагающиеся на 2-3 см вправо и влево от остистых отростков позвоночника. Для воздействия ультразвуком их делят на несколько полей: два поля справа и слева от СV до Тh и два поля от Th до S1. Применяют ультразвуковое воздействие интенсивностью 0,2-0,4-0,6 Вт/см2 при непрерывном или импульсном режиме (длительность импульсов 2 или 4 мс).

Методика лабильная, способ контактный. Процедуры назначают ежедневно или через день. На курс назначают 6-10 процедур. Продолжительность воздействия 2-7 мин на каждую сторону в зависимости от количества полей, подвергаемых воздействию в одну процедуру. С одной стороны на другую во время каждой процедуры переходят один раз.

Воздействие ультразвуком на периферические нервы конечностей

При заболеваниях и травмах периферических нервов воздействия ультразвуком проводят по ходу пораженных нервных стволов и на рефлексогенные, паравертебральные зоны соответствующих сегментов позвоночника.

Воздействие на нервы ноги

Воздействие на нервы ноги (рис. 298): по ходу седалищного, бедренного или других нервов применяют воздействие интенсивностью 0,2-0,6 Вт/см2 б непрерывном или импульсном режиме, методика лабильная, способ контактный. Продолжительность процедуры 6-10 мин; ежедневно или через день; на курс лечения — 8-10 процедур.

Боголюбов В.М., Васильева М.Ф., Воробьев М.Г.

Опубликовал Константин Моканов

Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии — Справочник химика 21

    ТЕНЕВОЙ МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ [c.147]

    В зависимости от способа обнаружения дефекта различают следующие основные методы ультразвуковой дефектоскопии теневой, зеркально-теневой и эхо-метод, которые поясняются схемами прозвучивания (рис. 4.24). [c.281]

    ТЕНЕВОЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ — метод дефектоскопии, основанный на ослаблении дефектами интенсивности упругих колебаний ультразвуковой частоты один из методов ультразвуковой дефектоскопии. Впервые применен (1928) сов. исследователем С. Я. Соколовым. Для осуществления контроля в исследуемое изделие с одной стороны вводят ультразвуковые колебания (импульсные, непрерывные с частотной модуляцией или без нее), используя различные излучатели (напр., облучающую головку). С другой стороны изделия с помощью датчика, установленного напротив излучателя, регистрируют интенсивность этих колебаний, прошедших через толщу материала. Если на пути колебаний окажется дефект, то часть их отразится, и интенсивность колебаний, поступающих на датчик, уменьшится. Для Т. м. д. используют дефектоскопы типа УЗД, ДУК и др. Т. м, д. применяют для обнаружения расслоений, инородных включений, раковин и др. дефектов в металлах, бетоне и т. д. [c.516]

    Родоначальником ультразвукового контроля является чл.-кор. АН СССР С. Я. Соколов. Он в 1929 г. предложил теневой метод дефектоскопии и запатентовал свое изобретение во многих странах. Приоритет нашей страны в становлении акустического контроля общепризнан мировой общественностью. [c.13]

    Чаще всего применяют эхо-, реже — теневой метод контроля. Особенно высокая чувствительность достигается при контроле эхометодом преобразователем типа дуэт. Для определения местоположения объекта, отражающего поверхностные волны, пальцем, смоченным в масле, нажимают на поверхность изделия по ходу распространения ультразвуковой волны. При этом на экране дефектоскопа появляется небольшой импульс, отраженный от пальца, а сигналы от отражателей, находящихся позади пальца, резко уменьшаются по амплитуде. Передвигая палец по поверхности изделия и наблюдая за амплитудами сигналов, легко найти местоположение отражателей и определить соответствие сигнала отражателю. [c.187]

    На рис. 16 показана принципиальная схема ультразвукового дефектоскопа, работающего по теневому методу. [c.40]

    Ультразвуковой метод дефектоскопии использует ЗВ высокой частоты (20 кгц — 25 Мгц). Известны два основных метода ультразвукового контроля — теневой (метод сквозного прозвучивания) п эхо-метод (метод отражения) имеются варианты иммерсионного и контактного ультразвукового методов, отличающиеся способом ввода ЗВ в исследуемый материал. При этом методе используется аппаратура, блок-схема к-рой аналогична схеме импульсного прибора для ультразвуковых испытаний полимерных материалов (см. рис. 1). [c.31]

    Ультразвуковой метод является основным для выявления внутренних пороков крупногабаритных изделий, отливок и дефектов в. прокате большого сечения. Широкое применение он находит при контроле сварных швов и в первую очередь швов больших толщин. Принцип действия этого метода основан на свойстве ультразвуковых волн малой длины распространяться в виде направленного луча, отражаться и преломляться на границе раздела двух сред. Ультразвуковые дефектоскопы подразделяются на импульсные с приемом отраженного сигнала и теневые с непрерывным излучением. [c.155]

    Ультразвуковой метод дефектоскопии. При этом методе используют звуковые волны высокой частоты (20 кГц —25 МГц). Благодаря широкому диапазону частот используемых звуковых волн ультразвуковая дефектоскопия является одним из наиболее универсальных средств неразрушающего контроля. Различают два основных метода теневой (метод сквозного прозвучивания) и резонансный. [c.201]

    Ультразвуковой теневой метод, основанный на ослаблении интенсивности прошедших через деталь ультразвуковых волн при наличии дефекта на их пути, применяют для выявления дефектов в изделиях небольших толщин. Теневой дефектоскоп, работающий на частоте 160 кГц, выявляет дефекты площадью более 1 мм . Результаты контроля записываются на шлейфовом осциллографе, производительность которого до 0,58 м мин. Размеры дефектов оценивают по записи, относительному изменению уровня сигнала и протяженности зоны, в которой наблюдается уменьшение сигнала. [c.201]

    На рис. 9-5 представлена