Ультразвук. Виды ультразвуковых волн

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

В МЕДИЦИНЕ

 

Учебное пособие

 

 

Москва 2011

 

 

Рецензенты

Доцент кафедры физики для естественных факультетов Московского педагогического государственного университета, к.пед.н.

Петрова Е.Б.

Профессор кафедры пропедевтики внутренних болезней лечебного факультата, д.мед.н.

Баранов А.П.

 

Авторский коллектив

Доцент кафедры медицинской и биологической физики РГМУ, д .биол. наук

Резников И.И.

Профессор кафедры медицинской и биологической физики РГМУ, д .биол. наук

Федорова В.Н.

Доцент кафедры медицинской и биологической физики РГМУ, к. техн. наук

Фаустов Е.В.

Зав. кафедрой ультразвуковой диагностики ФУВ РГМУ, профессор, д.мед.наук. Зубарев А.Р.

Ассистент кафедры ультразвуковой диагностики ФУВ РГМУ

Демидова А.К.

 

УДК

Рекомендовано Центральными координационно-методическими советами Российского Государственного медицинского университета в качестве методического пособия для студентов и аспирантов.

 

Учебное пособие написано в соответствии с официальной программой по курсу «Медицинская и биологическая физика» и Унифицированной учебной программой дополнительного профессионального образования (повышения квалификации) работников медицинского профиля «Применение медицинской ультразвуковой аппаратуры в различных областях медицины», утверждённой МЗ РФ в 2001 году.

Учебное пособие основано на материале лекций, который использовался в учебном процессе Российского государственного медицинского университета МЗ РФ Оно содержит компактное изложение теоретического материала, касающегося физических характеристик ультразвука, особенностей взаимодействия с биологическими объектами и его использования в медицине.

Предназначается для студентов, ординаторов и аспирантов медицинских вузов, а также может быть использовано, врачами и специалистами медицинского профиля, использующими ультразвуковую аппаратуру..

 

Оглавление

 

Глава 1

Ультразвук как физическое явление

1. Ультразвук. Виды ультразвуковых волн

2. Физические характеристики и свойства ультразвука:.

1.2.1. длина волны,

Разрешающая способность

1.2.3. дифракция,

1.2.4. интерференция,

1.2.5. Рассеяние ультразвуковых волн,

1.2.6. интенсивность,

1.2.7. давление,

1.2.8. волновое сопротивление

1.2.9. скорость распространения УЗ,

1.2.10. колебательная скорость,

1.2.11. отражение и преломление УЗ

1.2.12. коэффициент отражения,

1.2.13. поглощение и глубина проникновения,

1.2.14. коэффициент проникновения,

1.2.15. ослабление УЗ в биологических тканях.

Глава 2

Механизм действия ультразвука на вещество и биологические ткани

2.1. Механическое действие

2.2. Тепловое действие

2.3.Химическое действие

2.4. Биологическое действие на клеточном уровне

Глава 3

Получение и прием ультразвука

3.1. Источники и приёмники ультразвука

3.2. Устройства для получения и приёма ультразвука

3.3. Факторы и артефакты, определяющие интенсивность принимаемого УЗ сигнала.

 

 

Глава 4

Ультразвуковая диагностика

4.1. Ультразвук в медицине

4.2. Методы ультразвуковой диагностики

4.2.1. Эхография

4.2.2. Доплерография

4.2.3. Методы получения изображения

4.3. Использование ультразвуковых методов диагностики в практической медицине

4.3.1. Измерение скорости кровотока

4.3.2. Ультразвуковая диагностика нарушений мозгового

кровообращения

4.3.3. Эхоэнцефалография

4.3.4. Ультразвуковая диагностика некоторых внутренних органов

4.3.5. Ультразвуковая диагностика в кардиологии

4.3.6. Ультразвуковая диагностика в педиатрии

4.3.7. Ультразвуковая диагностика в гинекологии и акушерстве

4.3.8. Ультразвуковая диагностика в эндокринологии

4.3.9. Ультразвуковая диагностика в офтальмологии

4.3.10. Преимущества и недостатки ультразвуковой диагностики

Глава 5

Применение ультразвуковых методов в лечебных и прикладных целях

5.1. Применение ультразвука в лечебных целях.

5.1.1. Применение ультразвука в лечебных целях.

5.1.2. Применение в терапии,

5.1.3. Применение в хирургии.

5.2. Другие применения УЗ.

 

 

Г л а в а 1

Ультразвук как физическое явление

Ультразвук. Виды ультразвуковых волн

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны в упругих средах в диапазоне частот 20000 – 10¹⁰ Гц.

Ультразвуковые колебания, не воспринимаются человеческим ухом.

Частоты ультразвука условно подразделяют на три области:

УЗНЧ - ультразвук низких частот – (2 10⁴ – 10⁵ Гц),

УЗСЧ - ультразвук средних частот – (10⁵ – 10⁷ Гц),

УЗВЧ – ультразвук высоких частот – (10⁷ – 10¹⁰ Гц).

Верхний предел определяется межмолекулярными расстояниями и зависит от рода вещества, его агрегатного и термодинамического состояния. Верхний предел УЗ колебаний граничит с гиперзвуковыми колебаниями (до 10¹³ Гц).

Каждая из областей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения.

Низкочастотные ультразвуки обладают способностью хорошо распространяться в воздушной среде.

Ультразвуки высокой частоты практически в воздухе не распространятся.

Поэтому области использования УЗСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидким и твердым телам, а в воздухе и в газах применяют только УЗНЧ.

УЗ волны бывают продольные и поперечные.

В жидкостях и газах УЗ волна распространяется в направлении колебательного движения частиц, т.е. являться продольной. При распространении продольной волны в среде возникают последовательно области сжатия и разрежения частиц среды (рис. 1).

 

Рис. 1. Распространение продольной волны

 

В твердых телах и плотных биотканях помимо продольных деформаций, возникают также и упругие деформации сдвига, обусловливающие появление поперечных волн. В этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны.

УЗ волны могут быть сферическими, плоскими и др., что определяется видом волновой поверхности. Поверхность с одинаковой фазой колебаний называется волновой поверхностью (один из видов волновой поверхности - волновой фронт).

Плоские волны имеют плоскую волновую поверхность. Такие волны возникают в случае возбуждения плоским источником звука, например плоской колеблющейся пластиной.

Кроме плоских волн могут быть сферические волны, возбуждаемые точечным или сферическим источником.

Идеальная сферическая волна возникает в случае точечного источника. Реальные источники всегда имеют пространственную протяжённость, поэтому на практике считают, что если радиус излучателя (r) мал по сравнению с длиной волны λ излучаемого им звука, т.е. r<<λ, то возникающий в таком случае фронт волны считают сферическим. При условии λ<<r образуется плоская волна. По мере увеличения радиуса излучателя (при заданной частоте), а также по мере удаления от источника сферическая волна будет переходить в плоскую.

Встречаются также цилиндрические волны, волновая поверхность которых имеет цилиндрический вид (рис. 2 а, б, в).

 

Рис. 2

Различные виды акустических волн: а – плоская, б - сферическая, в - цилиндрическая.

Стрелками показаны направления распространения волн

 

Абсолютно плоские, сферические или цилиндрические волны практически не встречаются, обычно имеет место комбинация различных типов волн, которая только в малых областях пространства может быть близка к одному из перечисленных типов.