теневой, зеркально-теневой, эхо-метод — Студопедия

Большинство ультразвуковых дефектоскопов являются импульсными. Принцип действия их основан на посылке ультразвуковых импульсов в изделие и приеме их отражений от несплошностей или конструктивных элементов изделий.

Генератор импульсов возбуждения (зондирующих импульсов) формирует короткий электрический зондирующий импульс, который с выхода дефектоскопа подается на преобразователь для его возбуждения. Отраженный от противоположного торца изделия (донный) или от дефекта эхо-сигнал принимается тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема) преобразователем, который подключаются к входу приемника дефектоскопа.

Через заданный промежуток времени (период следования зондирующих импульсов Т_ЗИ) процесс повторяется.

Теневой метод контроля предполагает доступ к изделию с двух сторон и реализуется при раздельной схеме включения ПЭП. В этом случае ультразвук излучается одним ПЭП (И), проходит через контролируемое изделие и принимается другим ПЭП (П) на другой стороне.

Признаком дефекта при теневом методе является уменьшение ниже порогового уровня или пропадание сигнала прошедшего через контролируемое изделие. Метод обладает высокой чувствительностью, но не дает информации о глубине залегания дефекта. О величине дефекта можно судить по степени ослабления прошедшего сигнала. На уменьшение амплитуды сигнала при теневом прозвучивании влияют кроме того и другие факторы: шероховатость поверхности, затухание ультразвука, расхождение пучка, нарушение соосности преобразователей.

При зеркально-теневом методе излучатель посылает импульс, который отражается от противоположной (донной) стороны изделия и регистрируется приемником. Полученный сигнал называют «донным» сигналом. Ультразвук проходит изделие два раза, что повышает чувствительность контроля. В отличие от теневого метода ЗТМ не требует двухстороннего доступа к изделию, но необходимо наличие двух плоско-параллельных поверхностей. ЗТМ также не дает информации о глубине залегания дефекта.

Признаком дефекта при ЗТМ контроля является пропадание донного сигнала или его ослабление ниже порогового уровня. О величине дефекта можно судить по степени ослабления донного сигнала. Выявляемость дефекта не сильно зависит от его ориентации по отношению к акустической оси.

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на посылке в изделие коротких ультразвуковых сигналов (зондирующих импульсов) и регистрации сигналов (эхо-сигналов), отраженных от выявляемых дефектов.

При контроле прямым преобразователем наряду с эхо-сигналом от дефекта на экране может присутствовать донный сигнал

Признаком дефекта при эхо-методе контроля является появление в зоне контроля эхо-сигнала с амплитудой выше порога срабатывания сигнализации при заданной чувствительности дефектоскопа.

Эхо-метод контроля прямым ПЭП при наличии донной поверхности обычно совмещают с зеркально-теневым методом, т.е. анализируют как пропадание или уменьшение донного сигнала, так и появление эхо-сигналов от дефектов.

К достоинства эхо- метода можно отнести: односторонний доступ к контролируемому изделию, достаточно высокую чувствительность к дефектам и высокая точность определения координат дефектов.

Эхолокация в ультразвуковой диагностике. — Мегаобучалка

 

Многие приборы для ультразвуковых медицинских исследований (УЗИ) работают на основе принципа эхолокации.

 

Эхолокация — это определение положения (локация) удаленных предметов по длительности задержки с приходом отраженных от них звуковых импульсов (эхо). В природе эхолокацию раньше человека освоили летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные.

 

Радиолокация — это решение аналогичных задач с использованием импульсов электромагнитных излучений.

     

Пример использования эхолокации в медицинской аппаратуре:

на рис. 1 представлена схема одномерного ультразвукового диагностического прибора для эхоскопии глаза. 

 

В нижней половине рисунка — схема строения глаза. В контакте с роговицей — ультразвуковой излучатель, испускающий короткие ультразвуковые импульсы длительностью порядка 1 мкс. В паузах между излучаемыми импульсами этот же прибор принимает импульсы, отраженные от различных внутриглазных неоднородностей. Возникающие при этом электрические импульсы, после их усиления, формируют на экране монитора эхограмму – запись последовательности отраженных импульсов в порядке их поступления. Эхограмма представлена на верхней половине рис. 1.

Рис. 1. Схема получения эхограммы глаза. На этой схеме:

 1 — эхосигнал от передней поверхности роговицы;

 2, 3 — эхосигналы от передней и задней поверхностей хрусталика; 4 — эхосигнал от сетчатки и структур заднего полюса глазного яблока.

 

 

   Эхограмма формируется следующим образом. Любой ультразвуковой импульс излучателя проходит сквозь глаз, частично отражаясь в обратном направлении на каждой из границ раздела смежных структур. Так что каждый импульс ультразвукового излучателя порождает несколько отраженных УЗ-импульсов. В нашем примере хорошо различимы эхосигналы от четырех отражающих поверхностей. Координаты эхосигналов на эхограмме пропорциональны времени задержки с приходом на излучатель УЗ-импульсов, отраженных от различных внутриглазных поверхностей. А излучатель успевает вовремя стать приемником.

Эхосигналы формируют на экране монитора неподвижное изображение. Инерционность нашего зрения делает незаметным то обстоятельство, что это изображение в течение секунды тысячекратно исчезает и вновь появляется.                            

 

Двухмерные приборы для УЗ-диагностики имеют многоэлементные ультразвуковые преобразователи в виде блока автономных одномерных пьезоэлементов. Каждый такой элемент имеет свою «зону ответственности» в двухмерном (плоском) изображении внутренних органов на экране монитора. Система работает циклически. Каждый цикл организован следующим образом: пьезоэлементы поочередно подключаются к высокочастотному генератору электрических импульсов и поочередно становятся источниками ультразвуковых импульсов. Затем система переключается на режим поочередной регистрации отраженных УЗ-импульсов. При этом актуальным является не длительность задержки отраженных эхосигналов, а их интенсивность: чем больше интенсивность, тем больше яркость свечения монитора в «зоне ответственности» каждого пьезоэлемента.

  Диагностические возможности расширяются, если в ходе обследования осуществляется перемещение ультразвуковой головки — преобразователя вдоль тела пациента (сканирование).     

1.4. Волновое сопротивление. Коэффициенты отражения и пропускания

  Плотность среды ρ и скорость звука V в этой среде образуют комплекс ρ V — волновое сопротивление (акустическое сопротивление; звуковой импеданс).Именно этот параметр и его распределение в объеме исследуемых органов определяют, в конечном счете, диагностические возможности методов УЗИ.

  В методах УЗИ зрительные образы формируются на ультразвуковых лучах, введенных в организм пациента и отраженных, в той или иной степени, на неоднородностях в распределении волнового сопротивления. Но мы в ультразвуковых лучах ничего не видим и не слышим. Поэтому потоки отраженного ультразвука, вышедшего из организма, регистрирующая аппаратура преобразует в электрические сигналы. По ним на экране монитора получается некоторый видео-образ: зрительно доступная картина на плоскости экрана, показывающая, как распределены неоднородности волнового сопротивления в объеме тела пациента. При этом более глубоко расположенные неоднородности могут оказаться в тени неоднородностей, расположенных менее глубоко. Так что медицинское прочтение таких картинок может оказаться сложным, особенно с непривычки.

В таблице 1 приведены значения скорости звуковых волн и волнового сопротивления для различных биологических сред организма человека.                                                    

    Таблица 1.Волновое сопротивление тканей человека.

Ткань	Скорость звука V (м/с)	Волновое сопротивление ρV ·10-6 (кг/м2с)
Кожа	1498-2030	1,73-2,54
Мышечная ткань: гладкая мышца поперечно-полосатая	1560-1620 1551 1573	1,13-1,18
Жировая ткань	1350-1470	0,86-0,94
Мозг	1520	1,06
Легкие	400-1200	-
Печень	1550	1,11
Кровь	1540-1600	1,04-1,08
Хрящ	1670	-
Костная ткань	2500-4300	2,2-5,0
Дентин	4500	8,0
Эмаль	6200	18,0
Хрусталик	1650	1,73
Стекловидное тело	1530	1,54
Камни печени	1400-2200	0,8-1,6
Вода	1480	1,48
Воздух	331,5	0,0043

 

Значения волнового сопротивления сред, следующих одна за другой по ходу волнового луча, определяют распределение энергии между отраженными и проходящими в соседнюю среду потоками энергии. Если два слоя две среды одинаковы по величине волнового сопротивления, то на их границе ни отражения, ни преломления не произойдет; луч останется прямолинейным. И наоборот, чем больше отличаются волновые сопротивления соседствующих слоев вещества, тем заметнее будет это место при проведении УЗИ.

Коэффициент отражения показывает, какую часть энергии падающей волны получает волна отраженная. При нормальном падении,

 то есть когда луч перпендикулярен поверхности раздела сред 1 и 2, коэффициент отражения:

                                                        

                R = {(ρ₂V₂_- ρ₁V₁) / (ρ₂V₂ + ρ₁V₁)}²                               (1)

 

        Диапазон возможных значений коэффициента отражения:

От R=0 (отражение отсутствует) до R=1 (падающая волна полностью отражается)

Величина D = 1 – R — коэффициент пропускания — показывает, какая часть энергии волны, падающей на границу раздела, достается волне, прошедшей во вторую среду.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов R и D для некоторых сочетаний сред на границе их раздела.

Таблица 2

Отражающая граница	Коэффициент отражения R	Коэффициент пропускания D
Воздух/мягкие ткани	0.999	0.001
Мягкие ткани/пьезокристалл	0.80	0.20
Жир/кость	0.49	0.51
Мышцы/кость	0.41	0.59
Жир/почка	0.006	0.994
Хрусталик/стекловидное тело	0.01	0.99
Вода/мягкие ткани	0.002	0.998
Жир/мышцы	0.011	0.989
Мышцы/стекловидное тело	0.001	0.999

Примечания:

1. Из первой строки таблицы 3 следует, что ни звук, ни ультразвук из воздушной среды в мягкие ткани или в воду почти не проникают: коэффициент отражения очень близок к единице. Поэтому при ультразвуковых исследованиях место контакта излучающей ультразвуковой головки с телом пациента обильно смазывают специальным гелем: даже тончайшая воздушная прослойка должна быть исключена.

2.Рыбаки распугивают рыбу не столько своими разговорами, сколько телодвижениями.

3.Ультразвуковой луч проходит границу раздела слоев 1 и 2 дважды: от излучающей головки вглубь тела пациента, а затем, отразившись от каких-то структур пациента, снова проходит эту границу, но в обратной очередности. Коэффициент отражения на границе 1-2 на пути луча «туда» и «обратно» не меняется. Это следует из формулы (1).

       4.Коэффициент отражения УЗ на границе «хрусталик-стекловидное тело» : R=0.01 (см. табл. 2. Тем не менее на эхограмме глаза (см. рис 1) граница «хрусталик/стекловидное тело» зафиксирована надежно. Принимаем это к сведению как показатель чувствительности метода диагностики.

 

       Вопрос продвинутому студенту. Если на границе раздела двух сред волновое сопротивление меняется резко, скачком от ρ₁V₁ до ρ₂V₂ , то на этой границе будет происходить отражение ультразвукового луча в соответствии с формулой (1). Что изменится, если в неоднородной среде такое же по величине изменение волнового сопротивления будет «размазано» вдоль хода лучей?

 

      В заключение этого раздела напомним, что от скорости звука зависит не только волновое сопротивление, но также и длина волны звука, а ее величина может существенно влиять на акустические свойства источников звука. Приведем пример, когда эти обстоятельства становятся существенными. При погружениях на большую глубину экипаж батискафа вынужден работать в условиях высокого давления газовой смеси, заполняющей батискаф, иначе он будет раздавлен забортной водой. Вместо воздуха применяют дыхательную смесь, в которой азот заменен гелием: это оказалось необходимым в связи с тем, что при повышении давления увеличивается количество азота, растворенного в крови, и он начинает оказывать наркотическое действие. Скорость звука в воздухе — 330 м/с, а в гелии — 897 м/с. Скорость звука в такой газовой смеси гораздо больше, чем в воздушной; пропорционально возрастают и значения длин звуковых волн различных компонент голосового спектра. Это приводит к большим изменениям акустических свойств полостей голосового аппарата. Голос взрослого мужчины становится похож на голоса персонажей из детских мультфильмов: пропадают низкочастотные компоненты.

 

Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 37Следующая ⇒

В настоящее время такие названия метода, как двумерное и одномерное ультразвуковое исследование чаще заменяются сокращенными названиями А- и В-метод. Применение терминов, которые имеют в своем составе слова «сканирование» или «томография» допустимо лишь для описания исследования двумерным (В) методом.

При использовании других режимов их наименование фигурирует в описании исследования, например: ультразвуковая допплерография, цветное допплеровское картирование, или после названия «сонография», «ультразвуковое исследование» и др. указывается метод его проведения.

Существуют два принципиальных варианта получения информации о внутренней структуре объекта с помощью ультразвука. Ведущим в настоящее время является метод эхолокации, который заключается в приеме отраженных по мере прохождения луча сигналов, их обработке в аппарате и выводе графической или структурной информации на экран.

Отличие трансмиссионного метода, не нашедшего широкого применения в медицинской аппаратуре, (за исключением остеометрических аппаратов и иммерсионных маммоскопов) состоит в том, что функции передачи и приема сигнала разделены. Излучатель и приемник располагаются друг напротив друга строго по одной оси, а исследуемый объект помещается между ними. Информация, таким образом, содержится не в отраженном сигнале, а прошедшем через объект пучке ультразвуковой энергии.

Принцип эхолокации реализуется на практике различными методами, среди которых практически наиболее используемыми являются: А, В, D и их разновидности.

А-метод получил название от начальной буквы английского слова amplitude (амплитуда). Отраженные сигналы воспроизводятся в виде пиков на горизонтальной оси экрана аппарата. Чем более смещено вправо изображения этого пика, тем дальше от датчика расположена зона отражения ультразвукового сигнала. Зная скорость распространения ультразвуковой волны в тканях тела человека, можно определить расстояние до этой зоны, разделив пополам (так как ультразвуковой луч проходит этот путь дважды) произведение времени возврата импульса на скорость ультразвука.

Значение амплитуды на экране аппарата характеризует (качественно, а не количественно, так как невозможно учесть все потери энергии импульса на пути до зоны отражения и обратно) разницу в акустической плотности тканей. Тем не менее, амплитуда отраженного сигнала позволяет, в определенной мере, сделать заключение о характере препятствия на трассе ультразвукового луча. Несмотря на то, что аппарат, работающий в одномерном режиме, устроен относительно просто, а количество информации, получаемой с его помощью, ограничено, устройства этого типа и в настоящее время успешно применяются в некоторых областях медицины. Датчик аппарата, работающего в одномерном режиме, чаще всего имеет цилиндрическую форму (в виде толстого карандаша). В торце его рабочей поверхности расположен один неподвижный пьезоэлемент.

М-метод (развертка одномерного изображения во времени). Название этого метода (М) является сокращением английского слова motion (движение). Иногда метод называется ТМ time-motion (время-движение). Он был предложен и нашел наибольшее применение в кардиологической практике, так как предназначен для исследования движущихся структур. Суть метода легко понять, представив себе, как ультразвуковой луч из датчика одномерного аппарата проходит через сердце. В этом случае на экране аппарата можно наблюдать перемещение амплитуд сигналов, отраженных от стенок камер и клапанов работающего сердца вправо-влево в зависимости от фазы его сокращения. Однако, измерять смещения этих амплитуд (т.е. определять величины колебаний) практически невозможно, так как изображение нахо­дится в постоянном движении.

В М-режиме изображение на экране повернуто на 90° градусов по отношению к тому, как воспроизводится А-методом. На экране оно более соответствует нормальным пространственным соотношениям: отраженные сигналы откладывается не на горизонтальной, а на вертикальной оси, причем, амплитуда изображается не пиком сигнала, а яркостью свечения точки в месте его отражения.

Плоскость, на которую проецируется изображение, смещается во времени, подобно движущейся бумаге прибора с механической записью процесса, например, электрокардиографа. На экране при этом воспроизводится график перемещения изучаемого объекта во времени. Изображение может быть остановлено («заморожено») для детального изучения и измерений параметров.

В настоящее время абсолютное большинство ультразвуковых исследований производятся аппаратами, работающими в режиме В-метода, название которого происходит от слова brightness (яркость). Этот метод называется также эхотомографией, методом двумерного ультразвукового исследования, или ультразвуковым сканированием и является наиболее информативным и употребительным практически во всех областях медицины. Перемещение ультразвукового луча может производиться по­очередным включением пьезоэлементов датчика.

Для регистрации и измерения параметров работы сердца обычно используют двойной режим работы аппарата (В+М) Справа на экране эхотомограмма сердца с изображением на ней пунктирной линией оси, по направлению которой в левой части экрана воспроизводится развертка одномерного сигнала во времени. Такой метод сканирования называется электронным сканированием. Датчик представляет собой ряд последовательно расположенных пьезоэлементов. Каждый из них (как при работе в А-режиме) воспроизводит изображение в виде точек, расположение которых на экране соответствует расстоянию до зоны отражения, а яркость — амплитуде отраженного сигнала.

Чем больше отдельных элементов будет содержать датчик и чем меньший размер будет иметь каждый элемент — тем качественнее будет изображение на экране. Таким образом, двумерное изображение получается в результате сканирования, то есть перемещения пучка ультразвуковой энергии в одной плоскости, которая называется плоскостью сканирования.

Сканирование ультразвукового луча может быть осуществлено и механически. В этом случае датчик обычно имеет один пьезоэлемент, который приводится в движение микромотором. Способ сканирования называется в этом случае механическим.

Период прохождения импульса до исследуемой области тела и обратно к датчику очень мал. Нетрудно посчитать, что для расстояния, например, 10 см. он составит 0,00013 секунды. За столь короткий промежуток времени сканирующего перемещения пьезоэлемента практически не происходит и он принимает отраженный сигнал как неподвижный.

В настоящее время редко, но все же встречаются аппараты, в которых датчик перемещается рукой. Этот вариант получения двумерного изображения носит название сложного ручного или компаундного сканирования. Чтобы его осуществить, необходимо специальное устройство, которое в процессе сканирования обеспечивает перемещение датчика строго в одной плоскости. Любые изменения положения датчика в пределах этой плоскости не ограничиваются. Датчик аппарата сложного ручного сканирования устроен точно так же, как в одномерном аппарате, то есть в его корпусе имеется один неподвижный пьезоэлемент.

Для получения эхотомограммы методом ручного сканирования отраженные сигналы принимаются и фиксируются в специальном запоминающем устройстве, где формируется статическое, «застывшее» изображение, которое «рисуется» на экране по мере перемещения датчика по поверхности тела. Такое медленное сканирование не позволяет видеть перемещения объекта. При исследовании движущихся объектов этим методом можно получить значительные искажения его формы и размеров.

С-метод (фронтальное сканирование). Этот метод заключается в получении двумерного изображения при перемещении пьезоэлемента в плоскости, поперечной его поступательному движению (в прямоугольной системе координат). Система формирования изображения такого аппарата обрабатывает только сигналы, отраженные на одной задаваемой для каждого томографического среза глубине. Датчик имеет свободу перемещения вперед-назад, вверх-вниз с возможностью наклона луча под разными углами но только в пределах выбранной плоскости сканирования, которая не может быть изменена в процессе появления изображения на экране. После проведения каждого томографического среза, эта плоскость изменяется на другую перемещением устройства подвески датчика. Изображение возникает при перемещении датчика по коже исследуемой области и в процессе исследования автоматически замораживается. Преимуществом метода является возможность получать на экране целиком томографические срезы больших площадей. К недостаткам относится трудоемкость и продолжительность исследования. Широкого практического применения подобные аппараты не получили.

D-метод (ультразвуковая допплерография). Метод ультразвуковой допплерографии основан на эффекте, открытом австрийским физиком К.Доплером в 1842 г. Суть этого эффекта, проявляющегося для волновых колебаний любой природы, состоит в изменении длины волны при ее отражении от движущейся преграды. Отражение от препятствия, приближающегося к источнику сигнала, вызывает увеличение частоты исходного колебания, при удалении — приводит к понижению частоты. Измерение частотного сдвига позволяет определить скорость и направление смещения движущихся структу, например потока крови в сосуде по формуле:

∆ f= 2 ∆ v cos а/ с

∆ f- допплеровский сдвиг (изменение начальной частоты), Гц;

f — начальная частота ультразвуковых колебаний, Гц;

с — скорость ультразвука в среде, м/с;

v — скорость движения препятствия, м/с;

cos a — угол падения ультразвукового луча.

Суть метода состоит в том, что отраженные сигналы проходят цифровую обработку и, в зависимости от направления доплеровского сдвига на выбранном и отмеченном участке обычного двумерного изображения показывается цветом направление движения перемещающихся структур. Обычно смещение по направлению к датчику кодируется красным, отдатчика — синим цветом (артериальный и венозный потоки крови). Области турбулентного движения маркируются желтым или зеленым цветом, а отсутствие перемещения крови — глубоким черным цветом. С помощью цветного доплеровского картирования можно видеть кровообращение на уровне мелких артериальных и венозных сосудов и фиксировать даже незначительные препятствия кровотоку (сужения сосудов, атеросклеротические бляшки и др.).

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cardiac Ultrasound. Edited by P. Wilde. London, 1993.

2. Клиническое руководство по ультразвуковой диагностике. Под редакцией Митькова В.В., Садриковой В.А., М., Т.5.,1999.

3. Фейгенбаум Х. Эхокардиография. М., 1999.

4. Инструментальные методы исследования в кардиологии: Руководство / Под ред. Г.И. Сидоренко. — Мн., 1994. — 270 с.

5. Моисеев В.С., Сумароков А.В. Болезни сердца: Руководство для врачей. — М.: Универсум Паблишинг, 2001. — 463 с.

6. Шиллер Н, Осипов М.А. Клиническая эхокардиография, второе издание. – М., Практика, 2005. – 344 с. 2.1.3.

2.1.3.

ТЕМА: Ультразвуковая диагностическая аппаратура.

(автор – доцент, д.м.н. Кушнеров А.И.)

Учебные вопросы:

1. Виды и типы ультразвуковых диагностических устройств.

2. Ультразвуковые датчики.

3. Варианты эхокардиографического исследования.

4. Трехмерный ультразвук.



Ультразвук. Источники и приемники ультразвука, его основные свойства. Ультразвуковая эхолокация.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 9Следующая ⇒

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 16-20 кГц.

Хотя физическая природа ультразвука такая же, что для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, которые определяют его большое значение в науке и технике. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами и соответственно малостью длин волн.

Малость длины волны обусловливает лучевой характер распространенияультразвуковых волн. Вблизи излучателя ультразвуковые волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия или неоднородности в среде, такой ультразвуковой луч испытывает отражениеи преломление. При попадании луча на малые препятствия или дефекты возникает рассеянная волна.

 

В природе ультразвук встречается как в качестве компонента многих естественных шумов, так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий (летучие мыши, дельфины и др.).

 

Искусственные излучатели ультразвука основаны на явлении магнитострикции (при более низких частотах) и обратного пьезоэлектрического эффекта (при более высоких). Магнитострикция заключается в незаметных для глаза колебаниях (удлинении и укорочении) длины ферромагнитного сердечника под действием переменного магнитного поля в соответствии с частотой изменения знака поля.

Из искусственных излучателей ультразвука наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьзоэлектрического эффекта, который заключается в механической деформации тел под действием электрического поля.

 

 

1 – пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами; (кварц, титанат бария и т.д.).

2 – электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

3 – генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

Электромеханические УЗ-приемники используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под действием УЗ-волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

Ультразвуковая эхолокация

Рассмотрим отражение УЗ-волны от границы раздела двух сред с различными свойствами

Для количественной характеристики процесса вводится понятие коэффициента отражения

 

 

где I_отр— интенсивность отраженной УЗ-волны, I₀ — интенсивность падающей; I_прош(рис.5) — интенсивность волны, прошедшей во вторую среду.

R-это безразмерная величина, принимающая значения в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).

В случае нормального паденияволны на границу раздела (рис.5) , этот коэффициент можно найти по формуле

 

где ρ₁ и ρ₂ — плотности первой и второй среды соответственно; v₁ и v₂ — скорости УЗ в этих средах.

На явлении отражения УЗ от границы раздела сред основана эхолокация– метод локализации неоднородностей в средах

 

Источник УЗ посылает ультразвуковой сигнал в импульсном режиме. После нескольких импульсов наступает пауза, в течение которой источник «ожидает» прихода отраженной волны. На экране локатора фактически представлена временная зависимость электрического напряжения, соответствующего посланному и зарегистрированному после отражения УЗ-сигналу. Зная интервал времени между импульсом посылки и отраженным импульсом (рис.6, б), а также скорость волны, можно найти расстояние от источника до границы отражения:



Ультразвуковая диагностика (эхолокация) — Методы обследования больных

Ультразвуковая диагностика опухолей и опухолевидных образований органов половой сферы женщины основана на использовании физического феномена, сущность которого состоит в том, что посылаемый генератором ультразвуковой пучок (сигнал) при  отражении от тканей,  отличающихся друг  от друга своей плотностью, изменяется, так как при этом имеется, с одной стороны,  разная глубина залегания органов с разной плотностью, а  с другой – существует граница между ними (граница двух сред). Ультразвук проникает в  исследуемые ткани и частично поглощается ими. Отраженная часть ультразвукового пучка попадает на преобразователь (титанат бария) и превращается в электрическое колебание, хорошо заметное на экране электроннолучевой трубки. Этот сигнал носит название эхограммы, а сам метод может быть назван эхолокацией. Существует одномерная и двухмерная эхолокация: одномерная позволяет определять границы (площадь) опухоли,    двухмерная   дает   возможность   определить   толщину (сечение) опухоли. Для одномерной ультразвуковой диагностики используется отечественный аппарат «Эхоэнцефалограф-11», а для двухмерной – УЗД-4.

Перед эхолокацией опорожняется мочевой пузырь и кишечник. Исследуемая укладывается на спину, кожа живота и мембрана датчика смазываются вазелиновым маслом. Датчик прикладывается к животу и последовательно перемещается по всем его отделам. Наблюдениями за осцилляциями на экране устанавливаются границы измененного отраженного сигнала, что одновременно  будет являться границами опухолевидных  образований.

Противопоказаний, за исключением кожных заболеваний передней брюшной стенки, метод не имеет.

По результатам ультразвуковой локации можно определить следующие 4 группы изменений (Н. Д. Селезнева, 1966): а) под брюшной стенкой определяется плотная ткань; б) под брюшной стенкой определяются образования, наполненные жидкостью; в) под брюшной стенкой определяются образования, наполненные полужидким содержимым, иногда с включениями неоднородной структуры; г) при исследовании виден только срез передней брюшной стенки.

На двухмерной эхограмме обычно бывает заметна полоса в виде полумесяца или дуги, соответствующая переднему участку опухоли, что особенно проявляется при небольших опухолях, тогда как при гигантских новообразованиях или инфильтрированном раковым процессом сальнике дугообразных полос не удается обнаружить.

Н. Д. Селезнева при ультразвуковом исследовании опухолей и опухолевидных образований, сопоставляя полученные данные с результатами операционных диагнозов, лишь у 15 из 1975 оперированных больных получила расхождения. Все эти 15 человек имели небольшие опухоли придатков, располагавшиеся глубоко в малом тазу за костями лонного сочленения, т. е.  за  анатомическим образованием,  полностью поглощающим сигнал.

Кип, Bosze приводят данные 48 наблюдений, когда при положении женщины в позе Тренделенбурга ультразвуковая диагностика поликистозных яичников лишь в одном случае при операции не подтвердилась. При этом ими отмечено, что нормальный яичник дает на эхограммах рядом с маткой «немую» зону диаметром 5–6 см, а поликистозный – зону больших размеров с тенями, соответствующими увеличенным яичникам.

Kratochwil, Zeibekis сообщают о 308 случаях сопоставления ультразвуковых диагнозов обнаружения опухолей с операционными находками без единого случая расхождения.

Диагностическое значение ультразвука заключается также и в том, что при его помощи можно определить консистенцию опухоли, т. е. еще до операции в определенной мере представить себе характер опухоли и объем вмешательства.

Многочисленными исследованиями установлена полная безвредность метода при использовании  диагностических   аппаратов.

Ультразвуковая эхолокация в онкологии показания противопоказания

Ультразвуковая эхолокация – это метод исследования, получения изображений внутренних органов, основанный на принципе локации при помощи ультразвука. Достоинства данного метода состоят в том, что при помощи ультразвука выявляются не только признаки, указывающие на злокачественный характер процесса, но и состояние окружающих тканей, дается возможность увидеть распространение опухоли в близлежащие органы, выявить отдалённые метастазы в печени, почках и лимфоузлах. Эхолокация в онкологии широко используется как обязательный метод исследования. Основными преимуществами эхолокации являются: высокая информативность, безопасность, экономичность и доступность.

 

В Научно-практическом центре хирургии ультразвуковую эхолокацию проводят только высококвалифицированные врачи. Кабинеты диагностики НПЦХ оснащены современной аппаратурой последнего поколения, что дает возможность получать точные результаты и на их основании назначать лечение.

С помощью ультразвуковой эхолокации исследуют матку, яичники, маточные трубы,  молочные железы, суставы, предстательную железу, мошонку, щитовидную железу, почки, селезенку, печень, сосуды шеи, сосуды головного мозга, сердце, поджелудочную железу, желчный пузырь, лимфатические узлы, мягкие ткани. Также можно проводить диагностику беременности и контролировать развитие плода.

 

Показаниями  к ультразвуковой эхолокации являются обычно подозрения на какие-либо заболевания. Данный метод позволяет диагностировать такие заболевания как: кисты, опухоли, панкреатиты, холециститы, камни в почках и желчном пузыре, нарушения кровотока, новообразования, воспалительные заболевания.

 

Противопоказаний к проведению ультразвуковой эхолокации нет, так как метод считается безопасным.

 

 

Теория вопроса и метод выполнения работы

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОКАЦИИ

Цели работы: изучение принципа действия эхоэнцефалоскопа; определение скорости распространения ультразвука в оргстекле; определение коэффициента поглощения ультразвука в образце.

Оборудование: эхоэнцефалоскоп ручной портативный ЭхЭр – «Сономед», зонд на 1,0 МГц, сосуд с водой, образцы из оргстекла, линейка, микрометр, вазелиновое масло.

Теория вопроса и метод выполнения работы

Ультразвуком называются механические волны с частотами от 2×10⁴ до 10¹⁰ Гц. Верхний предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна.

Для получения и приема ультразвука используют устройства, называемые ультразвуковыми излучателями и приемниками. Принцип действия таких излучателей основан на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта.

Распространение ультразвуковых волн в среде обладает рядом особенностей. Вследствие малой длины волны ультразвук излучается в виде узких направленных пучков. Отражение ультразвуковых волн на границе раздела двух сред происходит по законам геометрической оптики. Скорость распространения и поглощения ультразвука существенно зависит от свойств среды. Скорость распространения в твердых телах значительно выше, чем в жидкостях.

Поглощение ультразвука в среде происходит по закону

где – интенсивность ультразвука, падающего на слой вещества; – интенсивность ультразвука, прошедшего слой вещества толщиной ; µ – коэффициент поглощения.

Ультразвук очень сильно поглощается газами и во много раз слабее – жидкостями. Например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе примерно в 1000 раз больше, чем в воде. Поэтому контакт между ультразвуковым излучателем и облучаемым объектом не должен содержать воздушной прослойки. Поглощение ультразвука в данной среде зависит от частоты: при повышении частоты коэффициент поглощения увеличивается.

При распространении ультразвуковых волн в жидкостях возникает явление кавитации – образования и исчезновения внутренних разрывов сплошности жидкости. При этом происходит выделение энергии и нагревание жидкости.

Перечисленные свойства ультразвука позволяют широко использовать его в технике и медицине. Ультразвук ускоряет протекание процессов диффузии и растворения, оказывает влияние на скорость химических реакций. Ультразвук большой мощности вызывает гибель вирусов и бактерий, это используется для стерилизации сред. При воздействии ультразвуковых волн малой мощности увеличивается проницаемость клеточных мембран и активизируются процессы обмена в тканях.

Явление кавитации вызывает дробление материалов, помещенных в жидкость, что используется в фармацевтической промышленности для изготовления эмульсий, суспензий и аэрозолей.

В медицине ультразвук применяют для лечения и диагностики. Способность ультразвуковых волн оказывать механическое и тепловое действие на ткани лежит в основе ультразвуковой физиотерапии. В хирургии для резки костной ткани применяют ультразвуковой скальпель.

В диагностических целях ультразвук используют для определения положения и размеров неоднородных включений, полостей, внутренних органов. Различают два метода исследования: теневой и локационный (эхолокация).

Теневой методоснован на регистрации интенсивности ультразвука, прошедшего через исследуемый объект. При наличии внутри него неоднородностей с различными коэффициентами поглощения регистрирующий зонд зафиксирует «звуковые тени» этих неоднородностей.

Более распространен локационный метод, основанный на использовании одиночных импульсов, направляемых в исследуемый объект, и регистрации времени их возвращения и амплитуды после отражения от неоднородностей исследуемого объекта. Зная время, прошедшее от посылки импульса до его возвращения, и скорость распространения ультразвука в данной среде, можно определить расстояние до неоднородностей. Метод ультразвуковой локации применяют для определения опухолей и отеков головного мозга (эхоэнцефалография), положения и размеров сердца (эхокардиография) и т.д.

Метод ультразвуковой локации нашел также применение для ориентации слепых в пространстве. С помощью прибора «Ориентир» можно обнаружить предметы и определить их границы на расстоянии до 10 м.

Приборы и оборудование

Прибор позволяет выполнять диагностику объемных поражений головного мозга путем выявления межполушарной асимметрии и представляет собой локационное устройство, принцип работы которого заключается в изучении зондирующих сигналов с помощью зондов 1,0 МГц, 1,5 МГц или 2,0 МГц в головной мозг пациента, приеме и обработке эхосигналов, отраженных от внутренних структур.

Возбуждение ультразвуковых колебаний и прием эхосигналов при работе прибора выполняется зондом, в состав которого входит ультразвуковой преобразователь. Ультразвуковой преобразователь представляет собой пластину из пьезоэлектрического материала и предназначен для преобразования поступающих на него электрических сигналов в ультразвуковые волны при излучении зондирующего сигнала и, соответственно, для обратного преобразования ультразвуковых волн в электрические сигналы в процессе приема эхо-сигналов.

Ультразвуковая энергия, проходя через исследуемый объект, частично отражается от границ раздела с различными плотностями. Коэффициент отражения тем больше, чем больше разность в плотностях граничащих сред. А на границе любого вещества с воздухом происходит почти полное отражение ультразвуковой энергии. Поэтому для передачи ультразвуковой волны от зонда в исследуемый объект необходимо смазать зонд акустическим гелем.

Прибор работает в двух основных режимах: режиме сбора данных, когда производится запись эхосигнала от одного или двух зондов и в режиме измерений.

В режиме сбора данных выполняется следующие функции:

– запись и отображение в реальном масштабе времени эхосигналов от одного или двух зондов;

– запись трансмиссионного сигнала с последующей возможностью представления его на экране при фиксации изображения при работе двумя зондами.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Ультразвук | физика | Британника

Ultrasonics , колебания с частотами, превышающими верхний предел слышимого для человека диапазона, то есть более 20 килогерц. Термин sonic применяется к ультразвуковым волнам очень высоких амплитуд. Гиперзвук, иногда называемый претерзвуком или микрозвуком, представляет собой звуковые волны с частотами выше 10 ¹³ герц. На таких высоких частотах звуковой волне очень трудно эффективно распространяться; действительно, выше частоты около 1.25 × 10 ¹³ Гц продольные волны вообще не могут распространяться, даже в жидкости или твердом теле, потому что молекулы материала, в котором распространяются волны, не могут передавать вибрацию достаточно быстро.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Какая единица измерения для циклов в секунду?

Многие животные обладают способностью слышать звуки в диапазоне ультразвуковых частот человека.Предполагаемая чувствительность тараканов и грызунов к частотам в диапазоне 40 килогерц привела к производству «контроллеров вредителей», которые издают громкие звуки в этом частотном диапазоне, чтобы отогнать вредителей, но они, похоже, не работают так, как рекламируется.

Некоторые диапазоны слуха млекопитающих и насекомых сравниваются с диапазоном слуха человека в таблице.

Диапазон частот слуха человека и других избранных животных

животное	частота (герц)
	низкий	высокая
человек	20	20 000
кошки	100	32 000
собаки	40	46 000
лошадей	31	40 000
слоны	16	12 000
КРС	16	40 000
бит	1 000	150 000
кузнечики и саранча	100	50 000
грызуны	1 000	100 000
Киты и дельфины	70	150 000
тюлени и морские львы	200	55 000

Преобразователи

Ультразвуковой преобразователь — это устройство, используемое для преобразования некоторого другого типа энергии в ультразвуковые колебания.Существует несколько основных типов, классифицируемых по источнику энергии и среде, в которой генерируются волны. Механические устройства включают в себя газовые или пневматические преобразователи, такие как свистки, а также преобразователи с жидкостным приводом, такие как гидродинамические осцилляторы и вибрирующие лопасти. Эти устройства, ограниченные низкими ультразвуковыми частотами, имеют ряд промышленных применений, включая сушку, ультразвуковую очистку и впрыск мазута в горелки. Электромеханические преобразователи гораздо более универсальны и включают пьезоэлектрические и магнитострикционные устройства.Магнитострикционный преобразователь использует тип магнитного материала, в котором приложенное колебательное магнитное поле сжимает атомы материала вместе, создавая периодическое изменение длины материала и, таким образом, создавая высокочастотную механическую вибрацию. Магнитострикционные преобразователи используются в основном в нижних частотных диапазонах и широко используются в ультразвуковых очистителях и ультразвуковой обработке.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Самым популярным и универсальным типом ультразвукового преобразователя является пьезоэлектрический кристалл, который преобразует колеблющееся электрическое поле, приложенное к кристаллу, в механическую вибрацию. Пьезоэлектрические кристаллы включают кварц, соль Рошеля и некоторые виды керамики. Пьезоэлектрические преобразователи легко использовать во всем диапазоне частот и на всех уровнях выходного сигнала. Определенные формы могут быть выбраны для конкретных приложений. Например, форма диска создает плоскую ультразвуковую волну, в то время как изгиб излучающей поверхности в форме слегка вогнутой или чашеобразной формы создает ультразвуковую волну, которая фокусируется в определенной точке.

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи также используются в качестве ультразвуковых приемников, улавливающих ультразвуковые колебания и преобразующих их в электрические колебания.

Применение в исследованиях

Одной из важных областей научных исследований, в которых ультразвук оказал огромное влияние, является кавитация. Когда вода закипает, на дне емкости образуются пузырьки, которые поднимаются в воде, а затем схлопываются, что приводит к шуму кипящей воды. Процесс кипения и возникающие в результате звуки заинтриговали людей с тех пор, как они были впервые обнаружены, и они были объектом значительных исследований и расчетов британских физиков Осборна Рейнольдса и лорда Рэлея, которые применили термин кавитация к процессу образования пузырей. .Поскольку ультразвуковую волну можно осторожно использовать для управления кавитацией, ультразвук стал полезным инструментом для исследования этого процесса. Изучение кавитации также дало важную информацию о межмолекулярных силах.

Исследования проводятся по аспектам процесса кавитации и его применению. Современный объект исследований включает излучение света при схлопывании полости, создаваемой ультразвуковой волной высокой интенсивности. Этот эффект, называемый сонолюминесценцией, может мгновенно создавать температуру выше, чем поверхность Солнца.

Скорость распространения ультразвуковой волны сильно зависит от вязкости среды. Это свойство может быть полезным инструментом при исследовании вязкости материалов. Поскольку различные части живой клетки различаются по вязкости, акустическая микроскопия может использовать это свойство клеток «видеть» живые клетки, как будет обсуждаться ниже в разделе «Медицинские приложения».

.

Эхолокация | Учебники по технологиям

int S2 = 7; // Вывод цветного датчика S2 на вывод 7 Arduino

int S3 = 8; // Вывод датчика цвета S3 на вывод 8 Arduino

int outPin = 4; // Выход датчика цвета на вывод 4 Arduino

int trigPin = 13; // Триггерный вывод ультразвукового датчика подключен к выводу 13 Arduino

int echoPin = 11; // Вывод эхо ультразвукового датчика подключен к выводу 11 Arduino

int rColorStrength; // измеряемая сила красного цвета

int gColorStrength; // измеряем силу зеленого цвета

int bColorStrength; // измеренная сила синего цвета

unsigned int pulseWidth; // для измерения силы цвета с помощью команды pulseIn

float pingTime; // время прохождения эхо-сигнала от датчика до цели и возврата

float targetDistance; // Расстояние до цели в дюймах

float speedOfSound = 776.5; // Скорость звука в милях в час при температуре 77 градусов.

void setup () {

// введите здесь код настройки, чтобы запустить его один раз:

Serial.begin (115200); // включаем последовательный порт

pinMode (S2, OUTPUT); // S2 и S3 являются выходами и используются для сообщения

pinMode (S3, OUTPUT); // Arduino, какой цвет измерять

pinMode (outPin, INPUT); // Это вывод, цвет которого мы читаем из

pinMode (trigPin, OUTPUT); // Ультразвуковой триггерный вывод — это выход

pinMode (echoPin, INPUT); // Пин Ultradoinic Echo Pin — это вход

}

void loop () {

// Начнем с чтения красного компонента цвета

// S2 и S3 должны быть установлены LOW

digitalWrite (S2, LOW);

digitalWrite (S3, LOW);

PulseWidth = pulseIn (outPin, LOW); // Измерение необработанной ширины импульса, поступающей от вывода цветного датчика

rColorStrength = pulseWidth / 400.-1; // нормализовать число к числу от 0 до 255

rColorStrength = (255- rColorStrength); // перевернуть так, чтобы большое число означало сильный цвет

// Давайте прочитаем зеленый компонент цвета

// S2 и S3 должны быть установлены HIGH

digitalWrite (S2, HIGH);

digitalWrite (S3, HIGH);

PulseWidth = pulseIn (outPin, LOW); // Измерение необработанной ширины импульса, поступающей от вывода цветного датчика

gColorStrength = pulseWidth / 400.-1; // нормализовать число к числу от 0 до 255

gColorStrength = (255- gColorStrength); // перевернуть так, чтобы большое число означало насыщенный цвет

gColorStrength = gColorStrength + 2;

// Давайте прочитаем синий компонент цвета

// S2 и S3 должны быть установлены LOW и HIGH соответственно

digitalWrite (S2, LOW);

digitalWrite (S3, HIGH);

PulseWidth = pulseIn (outPin, LOW); // Измерение необработанной ширины импульса, поступающей от вывода цветного датчика

bColorStrength = pulseWidth / 400.-1; // нормализовать число к числу от 0 до 255

bColorStrength = (255- bColorStrength); // перевернуть так, чтобы большое число означало насыщенный цвет

// Теперь нам нужно преувеличить цвета, потому что показания датчика цвета

// слишком близки друг к другу. Похоже, что работает алгоритм:

// взять самый сильный цвет и установить 255, взять самый слабый цвет

// и установить на ноль, а затем взять средний цвет и уменьшить его значение

// на 2.Вот что делает следующий сегмент кода.

if (rColorStrength> gColorStrength && gColorStrength> bColorStrength) {

rColorStrength = 255;

gColorStrength = gColorStrength / 2;

bColorStrength = 0;

}

if (rColorStrength> bColorStrength && bColorStrength> gColorStrength) {

rColorStrength = 255;

bColorStrength = bColorStrength / 2;

gColorStrength = 0;

}

if (gColorStrength> rColorStrength && rColorStrength> bColorStrength) {

gColorStrength = 255;

rColorStrength = rColorStrength / 2;

bColorStrength = 0;

}

if (gColorStrength> bColorStrength && bColorStrength> rColorStrength) {

.