УЗ-микроскопия. Коротковские чтения. Орлова
.docxФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Приволжский исследовательский медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
(ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России)
Ультразвуковая микроскопия
Выполнила:
студентка 138 группы
лечебного факультета
Орлова Виктория Николаевна
Руководитель:
ассистент кафедры медицинской
физики и информатики
Соколова Ксения Александровна
Нижний Новгород, 2018
Актуальность темы. С момента своего возникновения акустическая микроскопия рассматривалась как перспективный метод изучения и неразрушающего контроля микроструктуры локальных свойств твердых тел. Однако, вплоть до последних лет реальная область ее применения была ограничена, поскольку разрабатывались, в основном, принципы и методы акустической визуализации и характеризации поверхности плоских образцов, которые не в состоянии конкурировать с оптическими электронно-микроскопическими методами. Отношение к акустической микроскопии принципиально меняется, когда речь идет об изучении внутренней структуры в объеме образцов, поскольку имеется значительное число сред - непрозрачные, проводящие среды и т. д., для которых такое изучение возможно только методами акустической микроскопии.
В связи с тем, что микроскопическое исследование внутренних объемов непрозрачных для световых электромагнитных излучений структур неосуществимо, а использование рентгеновского излучения не дает возможности микроскопических исследований из-за отсутствия фокусирующих устройств для спектра этого излучения, (также обстоит дело при использовании более жестких излучений - альфа- или бета-излучений), то «просвечивание» объектов заменяют их «прозвучиванием» ультразвуковыми волнами - продольного или поперечного типов, которые принципиально не могут распространяться в отсутствии среды. Некоторым неудобством методов «прозвучивания» исследуемых объектов является необходимость визуализации получаемых в звуковом поле результатов.
В настоящее время достаточно полно разработаны принципы акустической микроскопии для визуализации плоских объектов, т. е. поверхностей или слоев. С другой стороны, акустическая микроскопия широко используется для исследования объектов, форма которых близка к сферической (микровключения биологических клеток, микроструктуры глаза и др.). Более того, акустическая микроскопия относится к методам неразрушающего контроля, основным достоинством которых является возможность исследования внутренней структуры объектов без изменения их состояния. Однако к числу факторов, способных вызвать изменения их состояния при облучении его фокусированным ультразвуковым пучком, относятся прежде всего нагрев образца, величина которого может оказаться существенной при изучении, например, фазовых переходов в различных материалах или при исследовании биологических объектов.
Устройство и принцип работы ультразвукового микроскопа. Ультразвуковой микроскоп – это изобретение, которое относится к областям электроакустики и радиотехники и может быть использовано в качестве устройства для послойной визуализации неоднородностей внутренних структур непрозрачных объектов. На данный момент создано множество разновидностей ультразвуковых микроскопов в связи с использованием их в различных областях научных исследований. Ультразвуковая микроскопия использует возможности пространственного разрешения акустических волн с частотами от десятков – сотен мегагерц до единиц гегагерц. При этом длина волны ультразвука в мягких и водосодержащих биосредах соизмерима с исследуемыми структурами. Принцип реализации метода показан на рис. 1.
Рис. 1. Структура метода ультразвуковой микроскопии.
Акустическая микроскопия основана на том, что УЗ-волны, прошедшие, отраженные или рассеянные отдельными участками объекта, имеют различные характеристики (амплитуду, фазу и др.) в зависимости от локальных вязкоупругих свойств образца. Эти различия позволяют методами визуализации звуковых полей получать акустические изображения, восстанавливаемые компьютером на экране дисплея. В зависимости от способа преобразования акустических полей в видимое изображение различают сканирующую лазерную и сканирующую растровую акустическую микроскопию.
Сканирующая лазерная акустическая микроскопия представляет собой разновидность акустической голографии, предназначенную для визуализации малых объектов. При облучении плоской УЗ-волной объекта, помещенного в жидкость, фронт волны после прохождения образца искажается из-за неоднородных фазовых задержек, а амплитуда изменяется в соответствии с неоднородностью коэффициента отражения и поглощения в объекте. Прошедшая волна падает на свободную поверхность жидкости и создает на ней поверхностный рельеф, соответствующий акустическому изображению объекта. Этот рельеф считывается световым лучом лазера и затем воспроизводится на экране дисплея после соответствующих преобразований амплитудно-фазового распределения, сосчитанного световым пучком акустического рельефа.
Рис. 2. Принципиальная схема сканирующего лазерного акустического микроскопа.
Этот метод реализуется в лазерном акустическом микроскопе (рис. 2), где УЗ-пучок, излучаемый преобразователем 1, через звукопровод 2 падает на объект 3, помещённый в иммерсионную жидкость 4, и после прохождения объекта создаёт на границе жидкости рельеф. На поверхность жидкости нанесена полупрозрачная плёнка, которая деформируется вместе с поверхностью. Луч лазера 5 с помощью сканирующего устройства 6 и зеркала 7 перемещается по поверхности плёнки, частично отражаясь от неё. Угол отражения α меняется от точки к точке в соответствии с рельефом, создаваемым акустической волной. Отражённый луч, пройдя зеркало 7 и линзу 8, падает на оптический нож 9, преобразующий угловую модуляцию в амплитудную, и регистрируется фотоприёмником 10. Видимое акустическое изображение возникает на экране дисплея 11, развёртка которого синхронизирована с движением лазерного луча, а яркость управляется сигналом с фотоприёмника. Для сравнения одновременно на другом дисплее 13 получается оптическое изображение объекта за счёт регистрации фотоприёмником 12 прошедшего лазерного луча.
Используемый в сканирующей лазерной акустической микроскопии способ визуализации не позволяет получать высокое разрешение. Такие микроскопы работают на частотах вплоть до нескольких сотен МГц и дают разрешение до 10 мкм. Достоинством таких микроскопов является возможность одновременного получения оптического и акустического изображений для их сравнения.
В сканирующей растровой акустической микроскопии сфокусированный в точку УЗ-пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздается по точкам в виде растра. Сфокусированная УЗ-волна, падая на образец, частично отражается от него, частично поглощается и рассеивается в нем, а частично проходит через него. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна. Эти размеры согласно теории дифракции по порядку равны длине волны УЗ-колебаний в данной среде.
В растровом акустическом микроскопе (рис. 3) пучок плоских УЗ-волн, излучаемых пьезоэлектрическим преобразователем 1, фокусируется акустической линзой 2, которая представляет собой сферическое углубление на границе раздела звукопровода 3 и иммерсионной жидкости 4. Образец 5 помещается вблизи фокальной плоскости линзы и перемещается параллельно ей по двум осям с помощью механического сканирующего устройства 6. УЗ-излучение после взаимодействия с объектом собирается приёмной акустической линзой 7 на приёмном пьезоэлектрическом преобразователе 8. Электрический сигнал с преобразователя управляет яркостью электронного луча, развёртка которого синхронизована с движением образца при его сканировании. В результате на экране дисплея 9 возникает акустическое изображение, которое определяется распределением по образцу его физических свойств (упругости, вязкости, толщины, плотности, анизотропии и др.).
В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустические микроскопы "на отражение", "на прохождение", "тёмного поля". В режиме "на прохождение" выходной сигнал формируется лишь теми лучами, которые проходят через фокус приёмной линзы 7 в иммерсионной жидкости (реальный или мнимый) и соответственно после преломления на её поверхности падают на преобразователь по нормали. Поэтому для получения изображения в прошедших лучах используется т. н. конфокальная система - пара акустических линз, фокусы которых совмещены, как показано на рис. 3. В режиме "на отражение" одна и та же линза используется как для получения фокусированного пучка, так и для приёма УЗ-волн. Акустическое изображение в режиме "тёмного поля" создаётся лучами, рассеянными объектом; для его получения приёмную линзу в конфокальной системе отклоняют от акустической оси системы так, чтобы она собирала рассеянные лучи. Ещё один режим работы акустического микроскопа - нелинейный - можно осуществить, если принимать акустическое излучение не на основной частоте возбуждаемого звукового пучка, а на её гармониках.
Рис. 3. Принципиальная схема сканирующего растрового акустического микроскопа для режима "на прохождение".
Области применения. Ультразвуковая микроскопия нашла широкое применение для контроля сварных швов, клепаных соединений, покрытий в машиностроении; для контроля разводки контактных дорожек, корпусов в микроэлектронике; для оценки качества в производстве конструкционных материалов; в медицине при диагностике материала, используемого в производстве искусственных клапанов сердца, для диагностики и мониторинга различных заболеваний глаза и высокоточной оценки степени вовлеченности анатомических структур в патологический процесс (единственный способ прижизненной визуализации «немых» зон глазного яблока с высоким разрешением), например, в диагностике и мониторинге различных типов иридокорнеального эндотелиального синдрома, для одновременной структурной и функциональной диагностики биотканей (чаще совокупность оптоакустических методов); в научных исследованиях.
Применение ультразвука в офтальмологии с диагностической целью основано на том, что ультразвуковые волны, распространяясь в тканях глаза, претерпевают изменения, обусловленные его внутренним строением. По особенностям распространения акустических волн в глазу исследователь получает информацию о его строении. При диагностическом применении ультразвука в офтальмологии используют также эффект Допплера, позволяющий оценить скорость кровотока в глазничных сосудах.
Заключение. Таким образом, ультразвуковая микроскопия - есть совокупность методов визуализации микроструктуры и формы малых объектов с помощью ультразвуковых волн. Она включает в себя также методы измерения локальных характеристик упругих и вязких свойств объекта и их распределений по его поверхности или внутри объема. По сравнению с оптическими и рентгеновскими микроскопами ультразвуковая микроскопия дает повышенную контрастность, позволяет наблюдать микробиообъекты в естественной среде обитания. В медицинской лабораторной практике метод получает все более широкое распространение.
Список литературы:
-
Березина С. И., Лямов В. E., Солодов И. Ю., Акустическая микроскопия, "Вестник МГУ. Сер,Физика, Астрономия", 1977, т. 18, № 1, с. 3.
-
Кесслер Л. У., Юхас Д. Э., Акустическая микроскопия, "ТИИЭР", 1979, т. 67, № 4, с. 96.
-
Маслов К. И. АВТОРЕФЕРАТ. МЕТОДЫ ИМПУЛЬСНОЙ ИНКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. М., 1993.
-
Корнеев Ю.А., Коршунов А.П., Погадаев В.И. Медицинская и биологическая физика. М.: Наука, 2001.
-
Петронюк. Ю. С. ОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОПИИ. NDT WORLD REVIEW 4(42) December 2008.
-
Аветисов С.Э., д.м.н., профессор, академик РАМН. Офтальмология. Национальное руководство. ГЭОТАР-Медиа, 2008.
-
Аветисов С.Э., д.м.н., профессор, академик РАМН, директор; Амбарцумян А.Р., к.м.н., старший научный сотрудник. Возможности ультразвуковой биомикроскопии в диагностике и мониторинге различных типов иридокорнеального эндотелиального синдрома. НИИ глазных болезней РАМН, Москва, 2012.
-
Макарова М. С. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. iLab, 25 Июнь, 2013.
-
Субочев П. В.,. Орлова А. Г,. Турчин И. В, член-корреспондент РАН Сергеев А. М.. МЕТОД БИМОДАЛЬНОЙ ОПТОАКУСТИЧЕСКОЙ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ БИОТКАНЕЙ. ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 454, № 4, с. 396–398.