Skip to main content
Вся фізика

Лекція №2. Ультразвук. Еходоплерографія. Лекції з біофізики

Лекції з біофізики

Ультразвук – пружна механічна поздовжня хвиля, частота якої перевищує 20000Гц. У медицині застосовується УЗ частотою 1-1,5МГц.

Ультразвукова хвиля внаслідок високої її частоти поширюється у вигляді променів (через малу довжину УЗ-хвилі можна знехтувати її хвильовими властивостями). Такі промені можна сфокусувати за допомогою спеціальних акустичних лінз і досягти, таким чином, великої інтенсивності УЗ-хвилі. Крім того, оскільки інтенсивність хвилі пропорційна квадрату частоти й амплітуди коливань, то висока частота УЗ-хвилі навіть за малих її амплітуд зумовлює можливість отримання УЗ-хвиль великої інтенсивності.
 
Способи отримання ультразвуку:

1. магнітострикційний (отримують ультразвук до 200кГц). Магнітострикція – це зміна форми й об'єму феромагнетика (залізо, його сплави з нікелем) при поміщенні його в змінне магнітне поле. Змінне магнітне поле – це поле, вектор магнітної індукції якого змінюється з часом за гармонічним законом, тобто зміна зазначеного параметра характеризується певною частотою. Це поле діє як вимушувальна сила, що змушує стрижень із заліза стискатися й розтягуватися залежно від зміни величини магнітної індукції з часом. Частота стиснень і розтягів визначатиметься частотою змінного магнітного поля. При цьому в повітрі біля кінців стрижня виникають деформації стиснення, які поширюються у вигляді УЗ – хвиль.
 
Збільшення амплітуди УЗ-хвиль досягають шляхом підбору такої частоти змінного магнітного поля, за якої спостерігається резонанс між власними й вимушеними коливаннями стрижня.
 
2. обернений п'єзоелектричний ефект (отримують ультразвук понад 200кГц). П'єзоелектрики – речовини кристалічної будови, що мають п'єзоелектричну вісь, тобто напрямок, у якому вони легко деформуються (кварц, сегнетова сіль, титанат барію та ін.) Коли такі речовини поміщають у змінне електричне поле (за гармонічним законом коливається напруженість електричного поля), п'єзоелектрики починають стискатися й розтягуватися вздовж п'єзоелектричної осі з частотою змінного електричного поля. При цьому навколо кристала виникають механічні збурення – деформації стиснення і розрідження, які поширюються у вигляді УЗ-хвиль. У досягненні потрібної амплітуди відіграють роль резонансні явища.
 
Ефект названо оберненим, оскільки історично раніше було відкрито прямий п'єзоелектричний ефект – явище виникнення змінного електричного поля при деформації п'єзоелектриків.
 
Наявність прямого й оберненого п'єзоелектричного ефекту дуже важлива для роботи УЗ- діагностичних приладів. Для того щоб спрямувати УЗ-хвилю на тіло пацієнта, необхідно її отримати, що роблять за допомогою оберненого п'єзоелектричного ефекту. Для того щоб зареєструвати й візуалізувати відбиту УЗ-хвилю, необхідно її перетворити на електричне поле, чого досягають за допомогою прямого п'єзоелектричного ефекту.

Особливості поширення УЗ-хвиль

1) В однорідному середовищі. При проходженні УЗ-хвилі інтенсивністю I через шар речовини завширшки       її інтенсивність зменшується і стає рівною I = I0·e-αd, де I0 - початкова інтенсивність УЗ-хвилі;   I - інтенсивність хвилі після проходження через шар речовини, d - ширина шару речовини, - α коефіцієнт ослаблення хвилі.
 
Ослаблення УЗ-хвилі спричинене двома процесами: розсіюванням енергії в тканинах (пов'язане з клітинною неоднорідністю органів) та її поглинанням (пов'язане з макромолекулярною структурою тканин). Значення коефіцієнта ослаблення – важлива діагностична ознака. Так, печінка має малий коефіцієнт ослаблення УЗ-хвиль унаслідок малого коефіцієнта розсіювання. При цирозі ця величина різко зростає.
 
Поглинання тканинами УЗ-хвиль – основа діагностики стану внутрішніх органів за принципом трансмісії – аналізу інтенсивності хвилі, що пройшла крізь тіло пацієнта, та застосування УЗ у терапії й хірургії.
 
2) На межі двох середовищ. При потраплянні УЗ-хвилі інтенсивністю на межу поділу середовищ відбувається відбиття хвилі та поглинання хвилі.
 
Частка енергії, яка буде укладена у відбитій хвилі, залежить від співвідношення акустичних опорів середовищ. Так, на межі тіло пацієнта- повітря відбивається майже 100% енергії. Тому, щоб УЗ-хвиля потрапила в тіло пацієнта, застосовують спеціальні гелі (мета - зменшити перепад акустичного опору середовищ).
 
Відбиття УЗ хвилі від неоднорідностей і меж внутрішніх органів – основа діагностики їх стану за принципом ехолокації – аналізу інтенсивності відбитої УЗ - хвилі. УЗ – хвиля, спрямована на тіло пацієнта, називається зондувальним сигналом, а відбита УЗ-хвиля – ехосигналом.

Відбиття УЗ-хвиль також залежить від розміру структур, що відбивають:
 
- якщо розмір структур, що відбивають, можна порівняти з довжиною УЗ-хвилі, то відбуватиметься дифракція хвиль, тобто огинання хвилею структури з подальшим розсіюванням енергії в тканинах і формуванням УЗ-тіні. Це обмежує роздільну здатність УЗ-діагностики;
 
- якщо розмір структур, що відбивають, більший за довжину УЗ-хвилі, то остання відбиватиметься, причому інтенсивність ехосигналу залежатиме від напрямку зондувального сигналу, форми й розміру структур, що відбивають. Існують так звані дзеркальні структури, амплітуда ехосигналів від яких має найбільші значення (кровоносні судини, порожнини, межі органів і тканин).
 
Загалом, однак, інтенсивність ехосигналів дуже невелика, що вимагає для їх реєстрації дуже чутливої апаратури, але, з іншого боку, зумовлює проникнення УЗ-хвиль у глибше розташовані внутрішні структури й сприяє їх візуалізації.

Застосування ультразвуку в діагностиці

З діагностичною метою застосовують УЗ-хвилі малої інтенсивності, які не спричиняють біологічних ефектів у тканинах, - до 0,1 Вт на кв.см.

За допомогою УЗ-датчика на основі оберненого п'єзоелектричного ефекту отримують УЗ зондувальний сигнал і приймають ехосигнал. Останній у датчику внаслідок прямого п'єзоелектричного ефекту перетворюється на змінне електричне поле, що дає змогу зареєструвати, підсилити й візуалізувати ехосигнали за допомогою електронної апаратури.
 
За способом реєстрації та відображення на екрані електронних приладів ехосигналів розрізняють такі режими УЗ-сканування:
 
- А-режим (amplitude mode). Ехосигнали, перетворені в датчику на електричне поле, спричиняють вертикальне відхилення променя розгортки у формі піків, амплітуда яких залежатиме від інтенсивності відбитої УЗ-хвилі, а місце розташування на екрані осцилографа – глибину залягання структури, що відбиває, у масштабі вимірювального пристрою. Прикладом використання А-режиму в медицині є ехоенцефалоскопія – методика УЗ-сканування, що використовується в неврології та нейрохірургії для діагностики об'ємних уражень головного мозку (гематом, пухлинних процесів тощо). Основні ехосигнали (максимальні за амплітудою) формуються при відбитті від черепної коробки в місці розташування датчика, серединних структур, черепної коробки протилежного боку. Зміщення центрального піка в правий або лівий бік може вказувати на наявність патології відповідно лівої або правої півкулі мозку.
 
- В-режим (brightness mode). Ехосигнали, перетворені в датчику на електричне поле, спричиняють на екрані світіння точок різної яскравості: чим більше коливання напруженості електричного поля (що, у свою чергу, залежить від інтенсивності ехосигналу), тим яскравіша й об'ємніша пляма утворюється на екрані вимірювального приладу. Для реалізації режиму використовують складно влаштовані датчики УЗ-хвиль, які містять безліч елементів, що випромінюють зондувальні стимули й перетворюють ехосигнали. Напрямок зондувальних сигналів також змінюється. Електронна апаратура накопичує дані дослідження однієї й тієї самої ділянки тіла, отримані за допомогою всіх елементів датчика і в різних напрямках, та, інтегруючи їх, формує зображення органа, що досліджується, у реальному режимі часу в масштабі вимірювального пристрою. Таким чином можна отримати двовимірні ехотомограми.

- М-режим (motion mode). Дає змогу отримувати ехограми рухомих структур організму. Як і при здійсненні А-режиму, напрямок зондувальних сигналів залишається незмінним протягом усього часу дослідження, однак зондування здійснюється багаторазово так, щоб період формування М-ехограми перевищував період руху структур, що досліджуються, і період формування А-ехограми. Реєструється зміна глибини залягання рухомої структури з часом (переміщення променя вимірювального пристрою вздовж осі x). Амплітуда ехосигналів відображається у вигляді плям різної яскравості (як у режимі В). При кожному наступному зондуванні поздовжня ехограма зміщується на малу величину в напрямку, перпендикулярному до осі зображення глибини (часу). Найчастіше в клініці використовується ехокардіографія.

Взаємодія ультразвуку з речовиною. Застосування ультразвуку в терапії та хірургії.

УЗ характеризується такими видами дії на речовину:
 
- механічна дія. Вона пов'язана з деформацією мікроструктури речовини внаслідок періодичного зближення й віддалення мікрочастинок, що складають речовину. Наприклад, у рідині УЗ-хвиля спричиняє розриви її цілісності з утворенням порожнин – кавітацій. Це енергетично невигідний стан рідин, тому порожнини швидко закриваються з виділенням великої кількості енергії.
 
- теплова дія. Пов'язана з тим, що енергія, укладена в УЗ-хвилі та така, що виділяється при закритті кавітацій, частково розсіюється в тканинах у вигляді тепла, що призводить до їх нагрівання.
 
- фізико-хімічна дія. Виявляється в іонізації та дисоціації молекул речовин, прискоренні хімічних реакцій (наприклад, окиснення й відновлення) тощо.
 
На комплексній дії механічних, теплових і фізико-хімічних чинників ґрунтується біологічна дія УЗ. Ця дія визначатиметься інтенсивністю УЗ-хвилі.
 
УЗ малої та середньої інтенсивності (відповідно 1,5 Вт на кв. см. і 3 Вт на кв.см) спричиняють у живих організмах позитивні ефекти, стимулюють перебіг нормальних фізіологічних процесів. Це основа використання УЗ у фізіотерапії. УЗ поліпшує проникність клітинних мембран, активізує всі види транспорту крізь мембрану, впливає на швидкість перебігу біохімічних реакцій.
 
Збільшення інтенсивності УЗ-хвилі призводить до руйнівної її дії на клітини. Це використовується для стерилізації медичних приміщень шляхом знищення ультразвуком вірусів і клітин бактерій та грибків.
 
УЗ високої інтенсивності широко використовується в хірургії. Деякі операції проводяться за допомогою ультразвукового скальпеля. Вони безболісні, супроводжуються малими кровотечами, рани швидше загоюються, зокрема внаслідок стерилізації рани УЗ.
 
Широке застосування має УЗ в ортопедії: для проведення деяких операцій на кістці використовується УЗ-пилка, УЗ застосовується для з'єднання кісток між собою та скріплення з ними кісткових імплантатів.
 
Літотрипсія – методика руйнування каменів у нирках і жовчному міхурі за допомогою спрямованої дії УЗ-хвиль великої інтенсивності.

Еходоплерографія

Ефект Доплера – зміна частоти хвиль, які сприймаються приймачем унаслідок відносного руху джерела хвиль і приймача. Для обчислення частоти хвиль, які сприймаються приймачем, користуються формулою:
Зображення
, де vприйм  – частота хвиль, що сприймаються приймачем,  vдж – частота хвиль, що випромінюються джерелом, v0 – швидкість хвилі, u0 – швидкість руху приймача хвиль, uдж – швидкість руху джерела хвиль.
 
Верхні знаки в чисельнику і знаменнику характеризують випадки наближення одне до одного джерела й приймача УЗ-хвиль, а нижні знаки – випадки віддалення джерела й приймача УЗ-хвиль.
 
Еходоплерографія – методика дослідження швидкості кровотоку та руху рухомих структур організму (серце й судини), що ґрунтується на застосуванні ефекту Доплера.
 
У м'які тканини за допомогою нерухомого датчика випромінюється УЗ-хвиля певної частоти ν , після чого реєструють ехосигнали, відбиті від рухомих елементів (головним чином від еритроцитів крові) і такі, що мають унаслідок ефекту Доплера частоту ν″.
 
Доплерівський ефект спостерігається двічі:
 
- спочатку датчик є джерелом хвиль частотою  ν, а еритроцит – приймачем. Унаслідок руху еритроцит сприйме хвилю частотою ν′.
 
- еритроцит відіб'є УЗ-хвилю частотою  ν′, що потрапила на нього, але датчик, до якого повернеться ехосигнал, унаслідок рухомості еритроцита сприйме його з частотою  ν″.
 
Діагностичною ознакою є різниця  Δν =  ν -  ν″ , яка називається доплерівським зсувом частоти. Ця різниця залежить від швидкості руху еритроцитів, тобто й від швидкості кровотоку в цілому.
 
Доплерівський зсув частот перебуває в звуковому діапазоні й може бути почутий досвідченим лікарем за допомогою спеціальних пристосувань. Існують і сучасніші методи візуалізації доплерівського зсуву частот.