Как работает “ультрасаунд” (ультразвуковая диагностика)?

Ультразвуковая диагностика – сравнительно недорогой метод исследования структуры и работы органов.  В медицине используются ультразвуковые волны с частотами от 1 до 10 МГц (для сравнения: слышимый звук имеет частоты от 30 Гц до 20 кГц).

Скорость распространения звуковых волн в материале зависит от его упругости и плотности. Для мягких тканей ее значение варьируется от 1400 до 1600 м/с, а в таких твердых материалах, таких как кости, скорость звука может достигать 4000 м/с. И именно эта разница позволяет создать подобный прибор.

При переходе волны из одной среды в другую происходит ее частичное отражение от границы перехода. (схожая ситуация наблюдается на поверхности воды – вода пропускает свет, но часть его отражается и мы воспринимаем это как “солнечные зайчики”). При этом отношение амплитуд прошедшей (испускаемой прибором) и отраженной (принимаемой) волны разные. Соотношение амплитуд определяется акустическим импедансом двух этих сред, более научно можно прочитать тут, для нас же хватит знания, что чем сильнее отличаются импедансы двух сред, тем больше энергии отражается обратно на их границе раздела.

Анализ отраженных от границ органов ультразвуковых сигналов позволяет строить достаточно четкие изображения. Ультразвуковой сигнал получают с помощью прибора, преобразующего колебания электрического напряжения в механические колебания. Тот же самый прибор в некоторых электронных схемах, работающих в импульсном режиме, может использоваться и для обратного преобразования ультразвуковых колебаний в слабый электрический сигнал.

Измерения довольно сложны, так как волна при распространении в тканях теряет довольно много энергии. Например, для волн с частотой 1 МГц ослабление составляет примерно 100 дБ/м*. А это значит, что эхо (отраженный сигнал), приходящее от отдаленной поверхности, очень слабое.

* 1 Дб (децибел) при перерасчетe на “разы” соответствует примерно 1,26 раз. 
Децибел – безразмерная величина на основе десятичного логарифма использующуюся для сравнения величины с неким стандартом. Более подробно можно узнать в википедии.
Разницу между сильными и слабыми сигналами удается несколько сгладить использованием усилителей. В импульсных устройствах усилитель настраивают так, чтобы сигналы с большим запаздыванием и, соответственно, с большим ослаблением и усиливались больше. Наиболее распространенным методом построения изображений является метод B-scan.

Для излучения и для приема отраженных волн используется один прибор, который можно перемещать над телом пациента. Во избежание больших потерь энергии на границе тело – воздух, между прибором и кожей наносится гель.

Прибор излучает короткие ультразвуковые импульсы. Измеряются время запаздывания и амплитуда отраженной волны. По времени запаздывания определяется расстояние до отражающей границы и потери энергии волны в среде. В результате на дисплее высвечивается точка, яркость которой пропорциональна амплитуде отраженной волны (с учетом поправки на затухание), которая, в свою очередь,  зависит от отношения импедансов на отражающей поверхности. (Метод построения эхограммы отражен в названии: B-scan – от англ. Brightness – яркость, scan – поле зрения.) Для получения полного изображения органа необходимо провести серию измерений в нескольких местах и в разных направлениях. Хотя в общей сложности это занимает несколько минут.

Для исследования тех органов, которые не остаются неподвижными, используется метод M-scan (М – от английского Moving – движущийся). Этим методом исследуют, например, движения клапанов сердца. Через небольшие промежутки времени испускаются короткие импульсы ультразвука. Положение клапана со временем меняется, меняется и время запаздывания. Для построения эхограммы обычно используют самописец, который вырисовывает как бы график зависимости запаздывания эха во времени. Точнее, получается множество графиков, каждый из которых соответствует колебаниям небольшого участка клапана, стенки сердца или еще чего-нибудь, находящегося за и перед сердцем.С помощью ультразвука можно измерять скорость течения крови в сосудах. Метод измерения основан на так называемом вторичном эффекте Доплера – зависимости частоты отраженного сигнала от скорости движения отражателя.Если составить биения из отраженной и исходной волн, то частота биений будет лежать в слышимом диапазоне (130 Гц). По сдвигу частоты можно судить о состоянии кровеносных сосудов (так, при сужении сосудов скорость кровотока уменьшается). При измерении скорости излучатель настраивают так, чтобы биения были громкими и частыми. Сигнал при этом звучит как серия «паф-паф» в такт с ударами сердца.

Интенсивность ультразвука, используемого для диагностики, обычно крайне мала и насколько известно, при таких интенсивностях вредные побочные эффекты отсутствуют.

Share

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *