Физика ультразвука

Физика ультразвука

Введение

Ультразвуковые волны определяются как звуковые волны высокой частоты, которые не слышны ухом. Это продольные волны, которые распространяются в направлении, параллельном направлению распространения волны в среде.

Высокочастотные звуковые волны не слышны человеку в диапазоне 2-20 миллионов циклов в секунду (2-20 МГц) — это диапазон диагностического ультразвука.

Звук, слышимый человеком, составляет <20 кГц

Частота ультразвука > 20 кГц

Скорость звука в воздухе составляет 330 метров в секунду

Скорость звука в жировой ткани составляет 1450 метров в секунду

Скорость звука в мягких тканях составляет 1540-1580 метров в секунду

Скорость звука в кости составляет 4080 метров в секунду

Принцип сонографии

ОСНОВАН НА ПРИНЦИПЕ ИМПУЛЬСНОГО ЭХА

Пациенту передаются импульсы высокочастотных звуковых волн. Регистрируются эхо-сигналы, отражающиеся от границ различных тканей. Полученное эхо создает ультразвуковое изображение (рисунок 1.1).

Электричество, преобразованное в звуковой импульс

Звук, преобразованный в электричество—Echo

Если в ответ поступает больше звука — это указывает на более сильный отражатель—изображение становится белее

Если в ответ поступает меньше звука — это указывает на более слабый отражатель—изображение становится более черным

Изображение

Рисунок 1.1, иллюстрирующий принцип действия ультразвука.

Частота: количество циклов в секунду; измеряется в Гц (Hertz).

Длина волны: расстояние между двумя последовательными волнами. Оно зависит от частоты волн и скорости распространения в среде, через которую они проходят. Оно обратно пропорционально частоте.

Полоса пропускания: диапазон частот, производимых преобразователем.

Длительность импульса: небольшое количество циклов в импульсе.

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Передатчик    1.: Посылает напряжение для питания преобразователя.

Преобразователь    2.:

Приемник    3.: Для обнаружения и усиления слабых сигналов и отправки их на дисплей Он управляет динамическим диапазоном и компенсацией временного усиления (TGC).

Дисплей    4.: Для представления УЗИ-изображения / данных в форме, удобной для анализа и интерпретации.

Вход датчика передается на сканер по кабелю, и данные могут быть визуализированы на мониторе.

Ниже приведены способы отображения пространственной информации:

Режимрежимmplitude; используется для офтальмологических целей

Режим BРежим Bкорректности (серая шкала, реальное время); используется для обычной сонографии

Режим Mрежим Motion; используется для измерения частоты сердечных сокращений

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Ультразвуковой преобразователь (УЗИ) — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую и наоборот.

Он выполняет две функции:

Передатчик    1.: Электрическая энергия преобразуется в акустический импульс, который передается пациенту.

Приемник    2.: Принимает отраженные эхо-сигналы. Слабые изменения давления преобразуются в электрические сигналы для обработки.

В его основе лежит принцип пьезоэлектричества.

Ультразвуковые импульсы, генерируемые датчиком, распространяются, отражаются, преломляются и поглощаются тканями, предоставляя полезную клиническую информацию.

Преобразователи (сканирующие зонды) являются самой дорогостоящей деталью любого ультразвукового аппарата.

Типы преобразователей

Форма снимков, полученных с разных датчиков, различна (рисунок 1.2).

1. Выпуклый преобразователь с изогнутой матрицей: более широкое веерообразное изображение

Полезно для всех частей тела, кроме эхокардиографии

Расширенные версии для общего сканирования органов брюшной полости, малого таза и акушерства

Малогабаритные высокочастотные сканеры с изогнутой матрицей для трансвагинального и трансректального сканирования

2. Линейная матрица: Прямоугольная форма

Наиболее полезен для небольших и поверхностных отделов, таких как щитовидная железа, яички и молочная железа

Сосудистое, опорно-двигательное и акушерское применение

3. Секторный сканер с фазированной антенной решеткой: Треугольной веерообразной формы

Используется при обследовании сердца с помощью межреберного сканирования

Выбор преобразователей

Толщина преобразователя (обычно 0,1–1,0 ммопределяет его частоту (обратно пропорционально).

Каждый датчик сфокусирован на определенной глубине.

Проникновение ультразвука уменьшается с увеличением частоты.

Чем выше частота, тем короче длина волны и лучше разрешение.

Частоты от 7,5 до 15 МГц используются для поверхностных сосудов и органов, таких как щитовидная железа и молочная железа, расположенных в пределах 1-3 сантиметров от поверхности.

Изображение

Рисунок 1.2, иллюстрирующий различные типы преобразователей.

Частоты 2-5 МГц требуются для более глубоких структур брюшной полости и таза, то есть > 12-15 сантиметров от поверхности.

Высокая частота — лучшее пространственное разрешение, большее затухание и плохое проникновение.

Высокие частоты →

• Расширяет полосу пропускания

• Снижает коэффициент качества (Q)

• Сокращает пространственную длительность импульса (SPL)

Специализированные преобразователи

1. Эндовагинальные зонды для решения ранних акушерских и гинекологических проблем.

2. Эндоректальные зонды для визуализации предстательной железы.

3. Интраоперационный / лапароскопический — используется для введения через лапароскопический порт в брюшной стенке для входа в брюшную полость и ретроперитонеум.

УЛЬТРАЗВУК В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Системы визуализации в реальном времени имеют достаточно быструю частоту кадров, позволяющую отслеживать движение (> 16 кадров в секунду). Для быстро движущихся структур, таких как сердце, выгодна высокая частота кадров.

Типы:

Механические сканеры    1.: Одноэлементный преобразователь механически перемещается для формирования изображений в режиме реального времени. В настоящее время он устарел.

Колебательный преобразователь

Датчик вращающегося колеса

Электронная матрица    2.: Преобразователи не перемещаются, а приводятся в действие электроникой, чтобы заставить ультразвуковой луч проходить по пациенту. Сейчас он используется чаще всего.

КОНСТРУКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Пьезоэлектрический кристаллический элемент: расположен рядом с лицевой поверхностью преобразователя.

Внешний электрод: заземлен для защиты пациента от удара током. Его внешняя поверхность покрыта водонепроницаемым электрическим изолятором.

Внутренний электрод: Упирается в толстый опорный блок; поглощает звуковые волны, передаваемые обратно в преобразователь.

Изображение

Рисунок 1.3 иллюстрирует конструкцию ультразвукового преобразователя.

Опорный блок (демпфирующий): Изготовлен из вольфрама и резинового порошка в эпоксидной смоле.

• Поглощает звуковые волны, передаваемые обратно в преобразователь

• Сокращает длительность импульса (SPL)

• Увеличивает осевое разрешение

• Расширяет полосу пропускания и снижает добротность (Q)

Корпус-прочный пластик: Акустический изолятор из резины / пробки, предотвращающий проникновение звука в корпус (Рисунок 1.3).

Диагностические преобразователи: Имеют демпфирующий материал— широкая полоса пропускания, низкая добротность

Терапевтические преобразователи: Без подложки — узкая полоса пропускания

Пьезоэлектрический кристалл

Кристалл с пьезоэлектрическим эффектом (PE) является основным компонентом преобразователя (расположен рядом с лицевой поверхностью преобразователя).

Обладает уникальной способностью реагировать на действие электрического поля изменением формы (деформацией). Деформация — это деформация кристалла (придание ему различной формы) при подаче напряжения на кристалл.

Обладают свойством генерировать электрические потенциалы при сжатии.

Природные полиэтиленовые материалы —кварц, соли Рошели, турмалин.

Искусственные полиэтиленовые материалы —сегнетоэлектрики — цирконат-титанат свинца (PZT), титанат свинца бария, метианобат свинца и поливинилиденфторид (PVDF).

Синтетические материалы хороши как для передачи, так и для приема звуковых волн, в то время как природные кристаллы лучше справляются с тем или другим.

Все полиэтиленовые материалы также должны быть сегнетоэлектрическими, то есть они должны содержать диполи / магнитные домены, которые могут изменять ориентацию при электрической стимуляции.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Генерация небольших потенциалов на преобразователе при воздействии на него отраженных сигналов.

Воздействие электрического поля на кристалл приводит к изменению внутренней дипольной структуры, вызывая удлинение / сжатие кристалла. Следовательно, электрическая энергия преобразуется в кинетическую / механическую энергию.

ТЕМПЕРАТУРА КЮРИ

Температура, при превышении которой кристалл теряет свои свойства полиэтилена /поляризацию. Нагрев кристалла полиэтилена выше температуры Кюри превращает его в бесполезный кусок керамики. Поэтому преобразователи никогда не следует подвергать автоклавированию.

ДОБРОТНОСТЬ (ДОБРОТНОСТЬ ИЛИ МЕХАНИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ K)

Определяет, насколько эффективно преобразователь преобразует электрическое напряжение в звук.

Высокая добротность связана с более длительным SPL.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕЛЬ

Текучая среда, обеспечивающая связь между датчиком и поверхностью пациента.

Связующее вещество, которое передает ультразвуковые волны к датчику и от него, удаляя воздух между датчиком и поверхностью кожи. (На границе раздела ткань–воздух отражается более 99,9% луча, поэтому ни один из них не доступен для визуализации.)

Компоненты:

• Вода

• этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА)

• Пропиленгликоль

• Карбомер

• Троламин

Обычная вода не является стандартным связующим веществом, поскольку она имеет тенденцию стекать и испаряться из организма. Ее следует использовать только тогда, когда ничего другого нет под рукой. Масло при длительном использовании может повредить оборудование, а также испачкать одежду.

Ежедневно протирайте датчик после каждого обследования. У инфекционных пациентов, таких как ВИЧ-инфицированные, или у пациентов с открытыми ранами надевайте одноразовые перчатки на датчик, чтобы предотвратить заражение других пациентов.

Кость поглощает ультразвук гораздо сильнее, чем мягкие ткани; следовательно, энергия ультразвука может достигать только поверхности кости, а не областей за ней, которые кажутся черными (акустическое затенение).

Воздух отражает почти всю энергию ультразвукового импульса, проходящего через ткани, что приводит к черноте за пузырьком газа. Следовательно, сонография не подходит для исследования тканей, содержащих воздух, таких как здоровые легкие.

РАЗРЕШЕНИЕ

Контрастное разрешение

На изображении изображены различные оттенки серого.

Улучшено за счет сужения динамического диапазона и использования контрастного вещества.

Временное разрешение

Для движущейся структуры, как в акушерстве и эхокардиографии

Также известен как частота кадров (количество изображений, отображаемых в секунду).

Зависит от глубины и скорости распространения

Улучшено за счет

• Уменьшение глубины

• Сужение сектора изображения

• Уменьшение плотности линий

• Отключение мультифокального

Пространственное разрешение

Определяет качество сонографического изображения.

Определяет способность различать два близко расположенных объекта как отдельные структуры (рисунок 1.4).

Рассматривается в трех плоскостях:

Осевое разрешение    1.: Возможность разделения структур одна над другой вдоль (параллельно) оси ультразвукового луча

• Определяется длительностью импульса (длина волны * количество циклов на импульс)

• Высокая частота преобразователя обеспечивает более высокое разрешение изображения

• Самое важное

Изображение

Рисунок 1.4, показывающий типы разрешения.

Улучшено за счет

• Снижение SPL

• Демпфирование

• Тонкие элементы преобразователя

• Высокая частота

2.    Боковое разрешение

В плоскости, перпендикулярной оси луча и параллельной преобразователю

Возможность разделения структур бок о бок на одной глубине

Определяется шириной луча УЗИ

3.    Разрешение по азимуту / высоте

Определяется толщиной среза в плоскости, перпендикулярной как лучу, так и преобразователю.

Определяется толщиной ультразвукового луча.

НОРМАЛЬНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ

Эхогенность: зависит от плотности структуры, количества и типа отражателей внутри нее и ее взаимодействия со звуковым лучом

Безэховый: Полностью черный без каких-либо эхо-сигналов

Гипоэхогенный: Низкоуровневое ЭХО-излучение, менее серое, чем окружающая паренхима

Изоэхогенный: эхо-сигналы среднего уровня, аналогичные окружающей паренхиме

Гиперэхогенный: белый с высокоуровневым эхо-сигналом

Эхот-структура: Изображена различными оттенками серого

Однородный: одинаковые оттенки серого

Неоднородный: Различные оттенки серого в ткани

Следовательно, эхогенность и эхот-структура — это две разные сущности, и ткани следует интерпретировать по обоим параметрам, например, печень может быть однородной в эхот-структуре с повышенной эхогенностью, что указывает на диффузную жировую инфильтрацию.

Ориентация зонда

Маркер должен быть направлен вправо при поперечном сканировании и в сторону головы пациента при продольном сканировании.

Зона Френеля: Ближняя зона

Зона Фраунгофера: Дальняя зона — (дистальнее фокальной точки, где расходится звуковой луч)

Компенсация выигрыша во времени

Это один из основных элементов управления в ультразвуковом аппарате. Эхо-сигналы, возвращающиеся из глубинных структур, намного слабее и сильно ослаблены, чем от структур, расположенных близко к преобразователю (более сильные эхо-сигналы).

Простое увеличение коэффициента усиления не может решить эту проблему.

Для компенсации потери сигнала из дальнего поля требуется регулировка чувствительности на каждой глубине. Это возможно с помощью TGC, что обеспечивает равномерную яркость на всех глубинах для любого твердого органа, например, печени.

Коэффициент полезного действия

Время, затраченное на генерацию импульса

Время, затраченное на отправку сигналов / время, затраченное на прием сигналов

В какой-то момент датчик действительно включен

Обычно <1% для диагностического ультразвука

Акустический импеданс

Сопротивление, оказываемое средой распространению через нее звука

Density of medium × Velocity of sound in that tissue

Акустический интерфейс

Образуется, когда звуковые волны проходят от тканей с различным импедансом

Граница раздела мягких тканей и воздуха (граница раздела с большой разницей в акустическом импедансе) отражает почти весь луч, и, таким образом, звук не распространяется. Это объясняет неспособность ультразвука проникать в заполненные воздухом легкие и кишечник. Это также подчеркивает полезность связующего вещества (геля) между телом пациента и датчиком.

Граница раздела мягких тканей и костей также отражает большую часть; следовательно, при сканировании печени следует избегать ребер.

Граница раздела мягких тканей и жира передает относительно сильное эхо-излучение и, следовательно, помогает определить контуры органа.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ТКАНЯМИ

Отражение: зависит от угла падения и акустического сопротивления ткани.

Угол падения: угол между звуковым лучом и отражающей поверхностью.

Чем выше угол, тем меньше количество отраженного звука.

Зеркальный отражатель: Если акустическая граница раздела гладкая и большая.

Звук отражается, как зеркало отражает свет, если его направить под углом 90 градусов.

Например, диафрагма, эндометрий и стенка полностью расширенного мочевого пузыря.

Диффузный отражатель: Множество небольших поверхностей раздела органов рассеивают эхо-сигналы во всех направлениях (рисунок 1.5).

Преломление: изгиб волны при переходе из одной среды в другую (разная скорость звука в разных средах) (Рисунок 1.6).

Угол падения не равен 90 градусам.

Его частота остается прежней, но длина волны меняется.

Поглощение: При прохождении звукового луча часть его энергии преобразуется в тепло.

Высокое поглощение происходит с высокой частотой.

Изображение

На рисунке 1.5 изображены зеркальные и рассеянные отражатели.

Изображение

Рисунок 1.6 иллюстрирует преломление звукового луча.

Чем глубже мы проникаем, тем больше энергии теряется и качество изображения ухудшается.

Таким образом, низкочастотный преобразователь проникает на большую глубину.

Рассеяние: Некоторые эхо-сигналы рассеиваются неравномерно во всех направлениях вместо того, чтобы отражаться обратно.

Ослабление: комбинация всех взаимодействий.

Снижение интенсивности звуковых волн при прохождении через ткани.

Вызывает поглощение, рассеяние и отражение звукового луча.

Пропорционален частоте звука.

Высокочастотный зонд — быстрое затухание и меньшее проникновение.

Значение ослабления

Вода

0 (Нулевое) затухание

Мягкие ткани

0.7

Кость

5

Воздух

10

ПОДВОДНЫЕ КАМНИ ПРИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

1. Многие артефакты предполагают существование структур, которых на самом деле нет

• Артефакты реверберации и артефакты хвоста кометы

• Артефакты рефракции

• Артефакты боковых лепестков

2. Некоторые артефакты могут заглушать реальное эхо-излучение при отображении или скрывать информацию; важные патологии могут быть пропущены

• Неправильная настройка системного усиления и настроек TGC

• Неосмотрительный выбор частоты преобразователя

• Недостаточные углы сканирования

• Недостаточное проникновение

• Низкое разрешение

3.    Артефакты, изменяющие размер, форму и положение структур

• Артефакты многолучевого распространения

4. Акустическое затенение и усиление

5. Зеркальные артефакты

Артефакты реверберации

Это возникает, когда сигнал УЗИ многократно отражается между интерфейсами с высокой отражающей способностью вблизи преобразователя.

Может дать ошибочное представление о твердых структурах в областях, где присутствует только жидкость.

Тем не менее, это полезно для распознавания хирургических зажимов (особого типа отражателей).

Можно устранить, изменив угол сканирования, чтобы избежать появления артефакта из-за параллельных интерфейсов.

Артефакты хвоста кометы (Кольцо вниз)

Видны грязные тени с небольшим ярким хвостом за закрытыми интерфейсами

• За пузырьками воздуха.

• В стенке желчного пузыря (ГБ) при аденомиоматозе.

• За пункционной иглой, если их угол к УЗИ-лучу составляет примерно 90 градусов.

Хвост кометы возникает в результате реверберации между двумя близко расположенными объектами с дискретным эхо-сигналом позади отражателя.

Отключение звука вызвано разницей в акустическом импедансе с усилением кзади от отражателя.

Рефракция

Изгиб траектории вывода звукового луча приводит к дублированию изображения в неожиданном и вводящем в заблуждение месте (имитированное изображение).

Можно свести к минимуму, увеличив угол сканирования таким образом, чтобы он был перпендикулярен поверхности раздела.

Боковой лепесток

Большая часть энергии генерируется преобразователем вдоль центральной оси. Некоторое количество энергии низкой интенсивности также излучается с боковых сторон основного луча, что может создавать впечатление обломков в заполненных жидкостью структурах.

Может быть уменьшен путем изменения положения датчика.

Акустическое затенение

Снижение интенсивности ультразвука (черная зона) в глубине из-за сильного отражения (например, газа или инородного тела) или интенсивного поглощения в костях.

Полезно для диагностики кальцинатов, камней или инородных тел.

Ограничивает исследование областей позади газов / костей.

Акустическое усиление

Структуры, которые ослабляют пучок УЗИ меньше, чем окружающие ткани, приводят к слишком яркому эхо-сигналу позади них (Рисунок 1.7)

Обычно наблюдается при кистозных поражениях, как показано в основном в главе 2,6и 10

Изображение

Рисунок 1.7, изображающий усиление и акустическое затенение.

Избыточное проникновение

Эхо-сигналы могут быть видны в нормальных структурах, заполненных жидкостью, таких как мочевой пузырь, поскольку они не ослабляют импульсы УЗИ. Измените направление датчика.

Эффект частичного объема

Если ультразвуковой луч попадает на кисту, размер которой меньше поперечного сечения луча, внутри кисты могут появляться эхо-сигналы, которые могут быть ошибочно истолкованы как солидное поражение.

Артефакты многолучевого распространения

Создание сложных эхо-трактов, замедляющих возврат эхо-сигналов к преобразователю.

В результате эхо-сигнал отображается в неподходящем месте на изображении.

Зеркальные артефакты

Поверхность легкого действует как зеркало. Структуры печени, видимые над диафрагмой (сильный гладкий отражатель), могут быть ошибочно истолкованы как поражения легких.

Анизотропия

Обычно наблюдается в волокнистых структурах, таких как сухожилия, нервы и кости.

Их внешний вид зависит от угла наклона звуковых волн.

Если зонд держать перпендикулярно направлению волокон, они кажутся яркими.

Они выглядят темнее, если датчик расположен ближе к волокнам, поскольку отражается меньше звука.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

Нагрев тканей: За счет поглощения; используется в физиотерапевтических ультразвуковых аппаратах.

Кавитация: Возникает из-за взаимодействия звуковых волн с микроскопическими стабилизированными пузырьками газа в тканях.

Потоковая передача

Два важных показателя для измерения биоэффекта ультразвука

Тепловой индекс (TI): оценивает максимальное повышение температуры.

Механический индекс (MI): вычисляет кавитационный эффект ультразвука.

Как TI, так и MI должны быть <1 для акушерской сонографии.

Импульсную допплерографию не следует использовать часто, если это не указано.

Время воздействия на плод должно быть ограничено в соответствии с принципом как можно более низкого уровня (ALARA).

Воздействие УЗИ на плод будет небезопасным при температуре выше 41 градуса.

СОПРОВОЖДАЮЩИЙ

Человек, который выступает в качестве свидетеля как для пациента, так и для практикующего врача во время медицинского осмотра или процедуры.

Цель — обеспечить уверенность и эмоциональную поддержку пациенту, проходящему какую-либо процедуру.

Это также защищает врача от обвинений в непристойном поведении.

Согласно рекомендациям Генерального медицинского совета (GMC)

По возможности вы должны обеспечить пациенту безопасность в виде присутствия беспристрастного наблюдателя (компаньонки) во время интимного обследования (особенно туловища, груди, гениталий и прямой кишки). Это применимо независимо от того, того же пола, что и пациент, или нет.

Сопровождающим не обязательно иметь медицинскую квалификацию. Однако они должны быть знакомы с процедурами, чтобы при необходимости вызвать беспокойство у врача. Это может быть сотрудник, родственник или друг пациента или третье лицо того же пола, что и пациент.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Клиника Молова М.Р