Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

жидкости ряби, а при более высоких интенсивностях и фонтана; по акустическим течениям, приводящим к перемешиванию жидкости; по кавитации, сопровождающейся характерным шумом, ультразвуковым свечением, специфическими химическими реакциями, эрозией поверхности предметов в ультразвуковом поле; по выделению тепла, особенно на границах тел с отличающимися акустическими сопротивлениями и т, д.

Измерить параметры ультразвука - его интенсивность, амплитуду колебания, колебательную скорость и ускорение частиц в ультразвуковой волне, а также ультразвуковое давление - можно при помощи специальных устройств - приемников ультразвука. Приемники, размеры которых намного больше длины волны ультразвука, дают усредненные значения измеряемой величины, а структуру ультразвукового поля можно получить лишь с помощью приемников, размеры которых меньше длины волны.

В биомедицинской практике, как правило, учитывают частоту и интенсивность ультразвука, а также форму поля. В биотехнологии при использовании низкочастотного ультразвука измеряют плотность акустической энергии в среде.

Частота ультразвука обычно задается конструкцией и параметрами излучателей. Частота не может быть выбрана произвольно, она должна соответствовать одной из частот, разрешенных Международной электротехнической комиссией.

В медицине и экспериментальной биологии для воздействия на организм с хирургической или терапевтической целью обычно используют ультразвук с частотами 22, 44, 880 кГц, 2,65 МГц, а также ультразвук более высоких частот в диапазоне 2...10 МГц для примене- ния в диагностике.

Природа ультразвуковых эффектов качественно одинакова в широком диапазоне частот, и лишь количественные различия приводят к появлению характерных особенностей, оправдывающих условное деление ультразвукового диапазона на низкочастотный и высокочастотный.

Биологическое действие ультразвука весьма существенно зависит от его интенсивности, меняя которую, можно получить любые эффекты - от стимуляции до разрушения. Поэтому выбор, а значит, и измерение интенсивности ультразвука требует особой тщательности.

Из множества разработанных к настоящему времени методов измерения интенсивности ультразвука в медицине чаще всего используется радиометр (ультразвуковые весы), позволяющий определить усредненную интенсивность, но давлению звукового излучения.

Для более точных измерений используют калориметрический метод, основанный на измерении изменения температуры в теплоизолированном сосуде (термосе), заполненном поглощающим ультразвук веществом. Этот метод, так же, как и радиометрический, позволяет определить только средние значения интенсивности ультразвука и ха- рактеризуется еще большей инерционностью.

Для измерения интенсивности ультразвука в разных точках поля и в тех случаях, когда необходимо знать характер быстрых изменений интенсивности ультразвука во времени, используют ультразвуковые приемники-зонды, размеры которых меньше длины волны.

Рис. 1.10. Конструкция миниатюрного гидрофона:

1 - никелевая трубочка; 2 - металлизированный внутри и снаружи пьезокерамический цилиндр; 3 - легкоплавкий припой; 4 - изолирующая прокладка; 5 - экранирующая крышка из фольги; 6 - пленка эпоксидного лака

Простейший по конструкции ультразвуковой зонд представляет собой дифференциальную термопару, один из спаев которой сенсибилизирован слоем эпоксидной смолы.

Пьезоэлектрические приемники ультразвука в жидких средах (гидрофоны) значительно превосходят термопарные зонды по многим параметрам. Приемники этого типа преобразуют ультразвуковой сигнал непосредственно в электрический. Их крайне малая инерционность позволяет воспроизводить форму сигнала и, следовательно, получать информацию о его амплитуде, фазе, частоте и спектре.

Одна из простейших конструкций приемника ультразвука с цилиндрическим пьезокерамическим приемным элементом (гидрофона) показана на рис. 1.10.

1.15. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

Ультразвуковое поле в однородной среде невозможно разглядеть невооруженным глазом. Однако в ряде случаев результат действия ультразвука па вещество сопровождается зримыми изменениями, что позволяет видеть форму и отдельные детали ультразвукового поля, иными словами, визуализировать его. Если, например, в жидкости, в которой взвешены мелкие частицы, возникает стоячая волна, то эти частицы, в зависимости от их свойств, концентрируются в пучностях или узлах, делая видимой структуру стоячей волны.

Если в подкрашенную воду опустить листок бумаги, то частицы краски тем быстрее будут диффундировать в бумагу, чем выше интенсивность ультразвука. Через короткое время на поверхности листка возникнут характерные пятна, по которым можно судить о рас- пределении интенсивности ультразвука в поле.

Метод визуализации ультразвукового поля с помощью бумаги и красителя информативен, прост и дешев, но применим в основном для исследования ультразвуковых полей в жидких средах.

При изучении распространения ультразвука в биологических тканях удобно применять метод визуализации, предусматривающий использование в качестве модели ткани клубня картофеля и водного раствора KI. Ультразвук увеличивает проницаемость клеточных мем- бран по отношению к растворенным веществам, в частности к ионам йода, которые проникают внутрь клеток картофельного клубня. После окисления ионов до атомарного йода образуются характерно окрашенные комплексы с крахмалом, содержащимся в пластидах. В межклеточном пространстве крахмала практически нет.

Чтобы визуализировать ультразвуковое поле, образцы правильной формы (цилиндры, кубики), вырезанные из клубня картофеля, подвергают действию ультразвука, нарезают на тонкие (1мм), пластинки, помещают на 7...10св 1 моль раствор йодистого калия и на 2...3 с - в 3% раствор перекиси водорода, В результате получаются окрашенные «срезы» ультразвукового поля в ткани клубня. Этим методом можно, например, визуализовать фокальное пятно фокусированного ультразвука, исследовать влияние ультразвукового хирургического инструмента на рассекаемую ткань (см, подраэд. 4 .1.2).

Список литературы

1.Гаврилов Л.Р., Цирульников Е.М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. Л-д.; Наука, 1980.

2.Ершов Ю.А., Плетенева Т.Е. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.; Медицина, 1989.

3.Журавлев А.И., Акопян В.Б. Ультразвуковое свечение. М.: Наука, 1977.

4.Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М,: Химия, 1986.

5.Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Пер. с англ.; Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989.

6.Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкости // Физическая акустика / Пер. с англ.; Под ред. У. Мэзопа. Т. 3, Ч. Б. М.; Мир, 1967.

7.Эльпинер Н.К. Биофизика ультразвука. М.: Наука, 1973.

2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

Диагностические методы, основанные на применении ультразвука, в последнее время широко используются для получения информации о глубинных структурах живых организмов. Ультразвуковые методы применяют для изучения некоторых особенностей строения теток и клеточных органелл, для оценки механической прочности цитоплазматических мембран. Ультразвуковые методы диагностики безвредны и весьма информативны. Это делает их ведущими среди физических средств интроскопии и функциональной диагностики человека и животных,

История развития методов ультразвуковой диагностики насчитывает немногим более полувека. За этот период развились и выделились в самостоятельные направления: ультразвуковая визуализация внутренних органов, позволяющая обследовать состояние печени, желудка, поджелудочной железы, селезенки, почек, гениталий; ультразвуковая эхокардиография, обеспечивающая диагностику различных пороков сердца, нарушения центральной гемодинамики, а также проведение ряда других кардиологических

исследований; эхоэнцефалография - комплекс методов для исследования головного мозга; ультразвуковая остеометрия, дающая возможность исследовать состояние костной структуры без нарушения целостности покровных тканей; ультразвуковая цитолизометрия, позволяющая получать информацию о механических свойствах клеточных мембран и пр.

Методы ультразвуковой диагностики удобно рассматривать, условно разделив их на группы по принципу действия, а также по способу получения и обработки информации.

2.1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЭХОМЕТОДЫ

Ультразвуковые эхометоды основаны на эффекте отражения ультразвука от границ между тканями с различными акустическими свойствами. Эти методы позволяют дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности всего лишь на 0,1%, тогда как рентгенография, например, дает возможность различать ткани, если плотность одной из них отличается от плотности другой не менее, чем на 10 %.

2.2.1. Одномерная эхолокация

Наиболее простыми методами ультразвуковой диагностики являются, пожалуй, методы, основанные на принципе одномерной (1D) эхолокации (рис. 2.1). Зондирующий импульс ультразвука, излученный преобразователем, распространяется в ткани до ее границы и, частично отражаясь от этой границы, возвращается к преобразователю, Зондирующие импульсы и принимаемые в промежутках между ними отраженные импульсы отображаются на экране электроннолучевой трубки вертикальными отклонениями (всплесками), расстояние между которыми соответствует глубине, на которой в организме располагаются отражающие препятствия - границы тканей, органов, полостей. Расстояние между излучателем ультразвука (поверхностью тела) и отражающей преградой S-2ct, где с - скорость ультразвука в среде, а t - промежуток времени между моментом излучения ультразвукового импульса и моментом регистрации импульса, отраженного от препятствия.

Амплитуда отраженных сигналов очевидно зависит от различий в акустических импедансах ( ) тканей, на границе между которыми отражается ультразвук. Эти сигналы несут информацию о соотношении в скоростях ультразвука и плотностях граничащих тканей. Изображение на экране электронно-лучевой трубки называют одномерной эхограммой, или регистрацией типа А (от англ. Amplitude отклонение).

Одномерные ультразвуковые эхолокаторы нашли широкое применение, например в диагностике гематом при черепно-мозговых травмах. С помощью эхоэнцефалоскопа измеряют и сравнивают расстояния от левой и правой височных костей до поверхности раздела двух полушарий мозга, но смещению которой судят о наличии и величине гематом или других патологических нарушениях.

рис. 2.1. Принцип одномерной эхолокации:

1 - генератор импульсов; 2 - эхозонд; 3 - усилитель; 4 экран осциллографа; a и b толщины слоев тканей; а' и b' - соо тветствующие расстояния между импульсами

на экране

Поскольку поглощение ультразвука тканью мозга достаточно велико и растет с увеличением частоты, для эхоэнцефалографии используют сравнительно низкие ультра- звуковые частоты - от 0,8 до 1,8 МГц. В этом диапазоне частот при средней скорости ультразвука 1500 м/с длины ультразвуковых волн составят 1,5...0,8 мм, а поскольку точность измерений не может превысить половины длины волны, то смещение границы между полушариями мож но определить с точностью до 1...1,5мм. При эхоэнцефалографии более высокая точность, как правило, и не требуется.

Одномерная эхография удобна и для выявления внутрибрюшинного кровотечения при травмах живота. Известно, что в норме листки брюшины в боковы х отделах живота плотно соприкасаются, а при скоплении крови или иной жидкости в брюшинной полости между ними появляется расстояние, легко фиксируемое одномерны ми эхолокаторами.

В настоящее время разработано много моделей ультразвуковых эх олокаторов для определения размеров различных тканей, значительно ускоривших процесс диагностики у людей и определения упитанности животных. Ультразвуковые локаторы безвредны, их использование не связано с болевыми ощущениями и не требует соблюдения условий стерильности.

Эхо-методы успешно применяют в маммографии для определения изменений в молочных железах женщин и диагн остики патологий вымени. На эхограмме х орошо идентифицируются пики, свидетельствующие об отражении ультра звука от известных внутренних структур - подвешивающих связок, стенок молочных протоков, цистерн. По эхограмме можно определить асимметрию молочных желез, связанную с патологи- ческими изменениями в н их. Метод позволяет также обнаружить опухоли, очаги кальцификации, а также инородные тела в молочной железе.

Весьма полезна эхография и в диагностике заболеваний придаточных пазух носа.

Чем меньше измеряемые расстояния, тем быстрее эхо-импульс вернется к ультразвуковому преобразователю. При очень малых расстояниях этот промежуток времени может оказаться меньше так называемого мертвого време ни интервала между

моментом посылки зондирующего импульса и моментом, когда приемная система ока- жется готовой принять отраженный сигнал. Обычно это «мертвое время» составляет 10...20 мкс, и сигналы, пришедшие из глубины менее 15...20 мм, просто не воспримутся. Для того чтобы исследовать ближнюю зону используют линии заде ржки, например проводят измерения через слой воды толщиной в 25мм, а затем вы читают его толщину из полученных результатов. В современных ультразвуковых офтальмометрах приборах, предназначенных для исследования внутриглазных структур, эта операция выполняется автоматически.

2.1.2. Двумерная эхолокация

Методы двумерной (2D) эхолокации позволяют получить значительно больше информации о строении в нутренних органов, чем методы, основанные на одномерной эхолокации. Если при од номерной эхолокации луч ультразвука остается неподвижным в пространстве, то при двумерной он либо исходит из одной точки, периодически меняя угловое направление и об разуя веерное ноле обзора (секторное сканирование), либо ультразвуковой луч пере мещается параллельно самому себе, занимая соседние положения в выбранной плоскости ( линейное сканирование), либо излучатель-приемник (эхозонд) перемещается в заданной плоскости (сплошное двумерное сканирование).

Двумерная эхолокация с секторным сканированием предназначена главным образом для определения конфигурации и взаимного расположения органов и тканевых структур, отличающихся по акустическим параметрам и расположенных в зоне локации. Электронная схема обеспечивает изменение яркости точки, высвечивающейся на экране, пропорционально интенсивности луча, отраженного от акустическ их неоднородностей, Такой метод представления информации называется методом (от англ. Brightness - яркость). Этот вид локац ии позволяет определить геометрию внутренних структур и оценить плотность и неод нородность тканей. Если соседние ткали недостаточно отличаются друг от друга по акустическим свойствам, то контраст ность изображения можно повысить, вводя в полости органов или кровь специально п одобранные биологически безвредные так называемые эхоконтрастные вещества.

Рис. 2.2. Секторное сканирование качающимся ультразвуковым зон дом:

1 - качающийся эхозонд; 2 - контейнер с жидкостью;

3 поверхность тела; 4 - сектор сканирования

Секторное сканирование ультразвукового луча осуществляется механически или элек- тронным способом. При механическом сканировании либо эхозонд совершает периодиче- ские колебательные движения (рис. 2.2) (при этом ультразвуковой луч меняет направление в плоскости сканировании на угол, обычно равный 90о), либо один или несколько преобразователей (как правило три) вращаются на общем барабане.

Эхолокация секторным сканированием широко применяется в кардиологии и позволяет весьма точно оценить состояние сердца. Возможность введения луча ультразвука через межреберные промежутки позволяет без искажений и поглощения ультразвука в костной ткани практически полностью визуализировать камеры сердца и околосердечные структуры. При этом на экране исследователь видит движущееся изображение, что существенно обогащает диагностическую информацию. Секторное сканирование широко применяется при исследованиях органов брюшной полости, щитовидной и молочной желез, в гинекологической и акушерской практике, в офтальмологии.

Простота и легкость осуществления эхографии но сравнению с рентгенографией делает ее незаменимой в хирургии для обнаружения инородных тел, для проведения эндоскопических операций иод визуальным контролем и в ряде других случаев.

Двумерная эхолокация с линейным сканированием позволяет формировать эхограммы в виде прямоугольных изображений. Такое представление эхограмм удобно, когда одновременно и в одинаковом масштабе требуется отобразить детали, находящиеся вблизи от поверхности тела и в глубине его. Линейное сканирование очень удобно при исследованиях в акушерстве, а также для визуализации почек, мочевого пузыря и других внутренних органов.

В последнее время двумерная эхолокация все шире применяется для исследования физиологии и патологии репродуктивных органов сельскохозяйственных животных. Расстояние от поверхности тела до репродуктивных органов у мелких животных - овец, свиней, коз, кроликов, а также собак и кошек невелико, что позволяет визуализовать их внутренние органы, прикладывая эхозонд к поверхности тела. Информация, полученная с помощью эхолокации, уникальна, так как ее практически невозможно получить другими способами, например трансректальной пальпацией (прощупыванием через стенку прямой кишки). У крупных животных - коров, лошадей, верблюдов, ультразвуковой сигнал сильно затухает, проходя от поверхности тела до репродуктивных органов, что существенно снижает ценность эхограмм. Увеличение интенсивности ультразвука для повышения качества изображений может оказаться небезвредным для организма жи- вотных, и в таких случаях эхографию проводят, вводя эхозонд в прямую кишку животному и располагая его над исследуемым органом.

Эхография позволяет следить за развитием плода и формированием его органов, проводить внутриутробную диагностику многоплодия и врожденных болезней, определять физиологическое состояние плода по сердцебиению и подвижности, прогнозировать и диагностировать гибель плода.

2.1.3. Одномерная эхолокация движущихся структур

Одномерная эхолокация движущихся структур с отображением ин формации А-методом неудобна, так как наблюд ать и измерять постоянно меняющиеся расстояния между пиками на эхограмм е весьма непросто. Значительно удобнее для этих целей так называе- мый метод Л-локации (от английского слова Motion - движение). В отличие от А-метода при М методе эхо сигналы на экране электроннолучевой трубки отображаются в виде светящихся точек, находя щихся в тех местах, где при одномерной эхолокации располагались бы пики. Ряд светящихся точек движется вертикаль но по экрану, прорисовывая прямые линии, если поверхности, от которых отраж ается ультразвук, неподвижны. Если же взаиморасположение отражающих поверхностей меняется, то меняется и расстояние между светящимися точками, и па экране бу дут формироваться линии, отображающие движение этих поверхностей. Так, при локации сердца на экране образуется группа линий, отражающих взаиморасположение кардиоструктур во времени. Такой способ представления информации о работе сердца называет ся эхокардиограммой или М-эхокардиограммой (рис. 2.3),

Рис. 2.3. Пример М-эхокардиограммы с акустическим изображением сердца

М-эхокардиограммы завоевали своей информативностью большую популярность в кардиологических исследованиях, так как помимо геометрических размеров на эхокардиограмме отражаются и их изменения, что позволяет определять скорость движения кардиоэлементов и исследовать фазовую структуру кардиоциклов.

2.1.4. Доплеровские методы в ультразвуковой

диагностике

Методы, основанные на эффекте Доплера, обладают большими возможностями и занимают важное место в ультразвуковой диагностике. Они позволяют изучать динамику ряда физиологических процессов в организме, оценивать скорости и направление течения крови, движение кардиоструктур и стенок кровеносных сосудов.

Эффект Доплера заключается в том, что частота волн, испускаемы х источником (fо), совпадает с частотой волн, регистрируемых приемником (f), только тогда, когда приемник и источник либо неподвижны относительно окружающей их среды, либо движутся относительно не сравнимы по величине и совпадающими по направлению скоростями. Во

всех остальных случаях . Известно, например, что тон сирен ы приближающегося поезда кажется более высоким, чем тон сирены поезда, удаляющегося от человека, стоящего у железнодорож ного полотна.

Принцип эффекта Доплер а нетрудно понять, если представить, что источник волн (излучатель) как бы дополнительно сжимает их, если движется по направлению к приемнику, и, следовательно, приемник зарегистрирует волны бол ее высокой частоты. Обратную картину можно представить, если источник удаляется от приемника (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Принцип возник новения эффекта Доплера:

1- волна от неподвижног о излучателя (И) к неподвижному приемн ику (П); 2 - волна при движении излучателя к приемнику; 3 - волна при удалении излучателя от приемника

Можно показать, что в одном случае, когда и источник, и приемни к движутся с разными по величине и направлению скоростями относительно окружающе й среды, то частоту, регистрируемую приемни ком, определяют по формуле:

где - частота, излучае мая источником;

и - скорость приемника;

v - скорость источника относительно среды;

и - углы между направлениями движения соответственно исто чника и приемника и соединяющей их прямой.

Эффект Доплера возникает и при отражении волн от движущейся п оверхности, которую можно рассматривать как движущийся приемник волн, излучаемых источником, и в то же время как движущийся и сточник отраженных волн.

Разность частот сигналов, излучаемых источником и принимаемых приемником после отражения от движущейся поверхности, называют доплеровской ч астотой, которая определяется но формуле

Знаки «+» или «-» показывают, приближается ли к неподвижным относительно друг друга источнику и приемнику отражающая поверхность или удаляется от них. Если скорость движения отражающей в олну поверхности ( ) значительно ниже скорости распространения волн в среде (что справедливо для всех применений эффекта Доплера в диагностике), то доплеровскую частоту можно вычислить по формуле

где - угол падения вол ны на отражающую поверхность. Частота, регистрируемая приемником, очевидно ра вна

В доплеровских методах диагностики применяют ультразвук с част отой 2 МГц.

Если принять скорость ул ьтразвука в тканях равной 1500 м/с, а скорость движения стенки аорты при ее пульсациях примерно равной 1 м/с, то в случае, когда ультразвуковая волна падает нормально (перпендикулярно) к поверхности аорты, доплеровская частота окажется равной примерн о 2,7 кГц, т. е. лежит в звуковом диапазон е. Именно поэтому электрический сигнал, несущий доплеровскую частоту, нередко выводят на наушники. Этот сигнал можно записать па обычный магнитофон и использовать для аналитических или учебных целей, либо записать па бумажную ленту в виде допл ерэхограммы.

Для возникновения эффекта Доплера необязательно, чтобы ультраз вук отражался от сплошной движущейся поверхности. Этот эффект возникает и при отражении акустических волн от частиц, взвешенных в жидкости и движущихся вместе с ее потоком. Если взвешенные в жидкости частицы движутся с такой же скорос тью, что и сама жидкость (как это происходит и случае вязких жидкостей), то, вычислив скорость течения жидкости но доплеровско й частоте, можно определить объемный расход жидкости в потоке по формуле

где s - площадь сечения потока (например, кровеносного сосуда). Этот аффект используется в приборах, называемых доплеровскими расходомерами.

В доплеровской диагностике используется как непрерывный, так и импульсный ультразвук. Применение непрерывного ультразвука дает возможность достичь высокой чувствительности, достаточной для регистрации кровотока в небольших кровеносных сосудах, в том числе у плода па ранних стадиях беременности матери, но не позволяет определить расстояние д о подвижного препятствия. Доплеровские методы, основанные на