Раздел ii.физика ультразвука. Измерение скорости распространения ультразвука и ультразвуковая аппаратура Ультразвуковая скорость

Скорость распространения ультразвука в бетоне колеблется от 2800 до 4800 м/с в зависимости от его структуры и прочности (табл. 2.2.2).

Таблица 2.2.2

Материал	ρ, г/смЗ	v п p , м/с
Сталь	7.8
Дуралюминий	2.7
Медь	8.9
Оргстекло	1.18
Стекло	3.2
Воздух	1.29x10 -3
Вода	1.00
Масло трансф.	0.895
Парафин	0.9
Резина	0.9
Гранит	2.7
Мрамор	2.6
Бетон (более 30 суток)	2.3-2.45	2800-4800
Кирпич:
силикатный	1.6-2.5	1480-3000
глиняный	1.2-2.4	1320-2800
Раствор:
цементный	1.8-2.2	1930-3000
известковый	1.5-2.1	1870-2300

Измерение такой скорости на относительно малых участках (в среднем 0.1-1 м) является сравнительно сложной технической задачей, которая может быть решена только при высоком уровне развития радиоэлектроники. Из всех существующих методов измерения скорости распространения ультразвука, с точки зрения возможности их применения для испытания строительных материалов, можно выделить следующие:

Метод акустического интерферометра;

Резонансный метод;

Метод бегущей волны;

Импульсный метод.

Для измерения скорости ультразвука в бетоне наибольшее распространение получил импульсный метод. Он основан на многократной посылке в бетон коротких ультразвуковых импульсов с частотой следования 30-60 Гц и измерении времени распространения этих импульсов на определенном расстоянии, называемой базой прозвучивания, т.е.

Следовательно, чтобы определить скорость ультразвука необходимо измерить расстояние, пройденное импульсом (база прозвучивания), и время, за которое ультразвук распространяется от места излучения до приема. Базу прозвучивания можно измерить любым прибором с точностью до 0.1мм. Время распространения ультразвука в большинстве современных приборов измеряется путем заполнения высокочастотными (до 10 МГц) счетными импульсами электронных ворот, начало которых соответствует моменту излучения импульса, а конец - моменту прихода его в приемник. Упрощенная функциональная схема такого прибора приведена на рис. 2.2.49.

Схема работает следующим образом. Задающий генератор 1 вырабатывает электрические импульсы с частотой от 30 до 50 Гц в зависимости от конструкции прибора и запускает высоковольтный генератор 2, который вырабатывает короткие электрические импульсы с амплитудой 100 В. Эти импульсы поступают в излучатель, в котором, используя пьезоэффект, преобразуются в пачку (от 5 до 15 шт.) механических колебаний с частотой 60-100 кГц и вводятся через акустическую смазку в контролируемое изделие. В это же время открываются электронные ворота, которые заполняются счетными импульсами, и срабатывает блок развертки, начинается движение электронного луча по экрану электронно­лучевой трубки (ЭЛТ).

Рис. 2.2.49. Упрощенная функциональная схема ультразвукового прибора:

1 - задающий генератор; 2 - генератор высоковольтных электрических импульсов; 3 - излучатель ультразвуковых импульсов; 4 - контролируемое изделие; 5 - приемник; 6 - усилитель; 7 - генератор формирования ворот; 8 - генератор счетных импульсов; 9 - блок развертки; 10 - индикатор; 11 - процессор; 12 - блок ввода коффициентов; 13 - цифровой индикатор значений t,V,R

Головная волна пачки ультразвуковых механических колебаний, пройдя через контролируемое изделие длиной L, при этом затратив время t, попадает в приемник 5, в котором преобразуется в пачку электрических импульсов.

Пришедшая пачка импульсов усиливается в усилителе 6 и попадает в блок вертикальной развертки для визуального контроля на экране ЭЛТ, а первым импульсом этой пачки закрываются ворота, прекратив доступ счетных импульсов. Таким образом, электронные ворота были открыты для счетных импульсов с момента излучения ультразвуковых колебаний до момента прихода их в приемник, т.е. время t. Далее счетчик считает количество счетных импульсов, которые заполнили ворота, и результат выдается на индикатор 13.

В некоторых современных приборах, таких как «Пульсар-1.1», имеются процессор и блок ввода коэффициентов, с помощью которых решается аналитическое уравнение зависимости "скорость-прочность", а на табло цифровой индикации выдаются время t, скорость V и прочность бетона R.

Для измерения скорости распространения ультразвука в бетоне и других строительных материалах в 80-е годы серийно выпускались ультразвуковые приборы УКБ-1М, УК-10П, УК-10ПМ, УК-10ПМС, УК-12П, УФ-90ПЦ, Бетон-5, которые себя хорошо зарекомендовали.

На рис. 2.2.50 приведен общий вид прибора УК-10ПМС.

Рис. 2.2.50. Ультразвуковой прибор УК-10ПМС

Факторы, влияющие на скорость распространения ультразвука в бетоне

Все материалы в природе можно разделить на две большие группы», относительно однородные и с большой степенью неоднородности или гетерогенные. К относительно однородным можно отнести такие материалы, как стекло, дистиллированная вода и другие материалы с постоянной для нормальных условий плотностью и отсутствием воздушных включений. Для них скорость распространения ультразвука в нормальных условиях практически постоянна. В неоднородных материалах, к которым относится большая часть строительных материалов, в том числе и бетон, внутреннее строение, взаимодействие микрочастиц и крупных составляющих элементов непостоянно как по объему, так и по времени. В их структуру входят микро - и макропоры, трещины, которые могут быть сухими или наполнеными водой.

Непостоянным является и взаимное расположение крупных и мелких частиц. Все это приводит к тому, что плотность и скорость распространения в них ультразвука непостоянны и колеблются в больших пределах. В табл. 2.2.2 приведены значения плотности ρ и скорости распространения ультразвука V для некоторых материалов.

Далее рассмотрим, каким образом влияют изменения таких параметров бетона, как прочность, состав и вид крупного заполнителя, количество цемента, влажность, температура и наличие арматуры на скорость распространения ультразвука в бетоне. Эти знания необходимы для объективной оценки возможности контроля прочности бетона ультразвуковым методом, а также для исключения ряда погрешностей при контроле, связанных с изменением указанных факторов

Влияние прочности бетона

Экспериментальные исследования показывают, что с повышением прочности бетона скорость ультразвука увеличивается.

Это объясняется тем, что значение скорости, так же как и значение прочности, зависит от условия внутриструктурных связей.

Как видно из графика (рис. 2.2.51), зависимость "скорость-прочность" для бетонов различного состава непостоянная, из чего следует, что на данную зависимость, кроме прочности, влияют и другие факторы.

Рис. 2.2.51. Зависимость между скоростью ультразвука V и прочностью R c для бетонов различных составов

К сожалению, некоторые факторы влияют на скорость ультразвука в большей степени, чем прочность, что является одним из серьезных недостатков ультразвукового метода.

Если принять бетон постоянного состава, а прочность изменять путем принятия различного В/Ц, то влияние других факторов окажется постоянным, и скорость ультразвука будет изменяется только от прочности бетона. В данном случае зависимость "скорость-прочность" станет более определенной (рис. 2.2.52).

Рис. 2.2.52. Зависимость "скорость-прочность" для постоянного состава бетона, полученная на заводе ЖБИ №1 г.Самары

Влияние вида и марки цемента

Сравнивая результаты испытаний бетонов на обыкновенном портландцементе и на других цементах, можно сделать вывод, что минералогический состав мало влияет на зависимость "скорость-прочность". Основное влияние оказывает содержание трехкальциевого силиката и тонкость помола цемента. Более важным фактором, влияющим на зависимость "скорость-прочность", является расход цемента на 1 м 3 бетона, т.е. его дозировка. С увеличением количества цемента в бетоне скорость ультразвука возрастает медленнее, чем механическая прочность бетона.

Это объясняется тем, что ультразвук при прохождении через бетон распространяется как по крупному заполнителю, так и по растворной части, соединяющей гранулы заполнителя, и его скорость в большей степени зависит от скорости распространения в крупном заполнителе. Однако прочность бетона в основном зависит от прочности растворной составляющей. Влияние количества цемента на прочность бетона и скорость ультразвука приведено на рис. 2.2.53.

Рис. 2.2.53. Влияние дозировки цемента на зависимость

"скорость-прочность"

1- 400 кг/м 3 ; 2 - 350 кг/м 3 ; 3 - 300 кг/м 3 ; 4 - 250 кг/м 3 ; 5 - 200 кг/м 3

Влияние водоцементного отношения

С уменьшением В/Ц увеличиваются плотность и прочность бетона соответственно повышается скорость ультразвука. При увеличении В/Ц наблюдается обратная зависимость. Следовательно, изменение В/Ц не вносит существенных отклонений в установленную зависимость "скорость-прочность. Поэтому при построении градуировочных графиков для изменения прочности бетона рекомендуется применять различное В/Ц.

Влияние вида и количества крупного заполнителя

Вид и количество крупного заполнителя оказывают существенное влияние на изменение зависимости "скорость-прочность". Скорость ультразвука в заполнителе, особенно в таких как кварц, базальт, твердый известняк, гранит, значительно больше скорости распространения его в бетоне.

Вид и количество крупного заполнителя влияют и на прочность бетона. Обычно принято считать, что чем прочнее заполнитель, тем выше прочность бетона. Но иногда приходится сталкиваться с таким явлением, когда применение менее прочного щебня, но с шероховатой поверхностью позволяет получить бетон с более высоким значением Re, чем при использовании прочного гравия, но с гладкой поверхностью

При незначительном изменении расхода щебня прочность бетона изменяется незначительно. Вместе с тем такое изменение количества крупного заполнителя оказывает большое влияние на скорость ультразвука.

По мере насыщения бетона щебнем значение скорости ультразвука увеличивается. Вид и количество крупного заполнителя влияют на связь "скорость - прочность" больше, чем остальные факторы (рис. 2.2.54 – 2.2.56)

Рис. 2.2.54. Влияние наличия крупного заполнителя на зависимость "скорость-прочность":

1 - цементный камень; 2 - бетон с заполнителем крупностью до 30 мм

Рис. 2.2.55. Зависимость "скорость-прочность" для бетонов с различной крупностью заполнителей: 1-1 мм; 2-3 мм; 3-7 мм; 4-30 мм

Рис. 2.2.56. Зависимость "скорость- прочность" для бетонов с заполнителем из:

1-песчаника; 2-известняка; 3-гранита; 4-базальта

Из графиков видно, что увеличение количества щебня на единицу объема бетона или повышение скорости ультразвука в нем приводит к увеличению скорости ультразвука в бетоне более интенсивно, чем прочность.

Влияние влажности и температуры

Влажность бетона неоднозначно влияет на его прочность и скорость ультразвука. С повышением влажности бетона, предел прочности при сжатии уменьшается за счет изменения межкристаллических связей, но скорость ультразвука возрастает, поскольку воздушные поры и микротрещины заполняются водой, а скорость в воде больше, чем в воздухе.

Температура бетона в диапазоне 5-40° С практически не влияет на прочность и скорость, но повышение температуры затвердевшего бетона за пределы указанного диапазона приводит к уменьшению его прочности и скорости вследствие увеличения внутренних микротрещин.

При отрицательной температуре скорость ультразвука повышается за счет превращения несвязанной воды в лед. Поэтому определять прочность бетона ультразвуковым методом при отрицательной температуре не рекомендуется.

Распространение ультразвука в бетоне

Бетон по своей структуре является гетерогенным материалом, в состав которого входят растворная часть и крупный заполнитель. Растворная часть, в свою очередь, представляет собой затвердевший цементный камень с включением частиц кварцевого песка.

В зависимости от назначения бетона и его прочностных характеристик соотношение между цементом, песком, щебнем и водой бывает различным. Кроме обеспечения прочности, состав бетона зависит от технологии изготовления железобетонных изделий. Например, при кассетной технологии производства необходима большая пластичность бетонной смеси, что достигается повышенным расходом цемента и воды. В этом случае увеличивается растворная часть бетона.

В случае стендовой технологии, особенно при немедленной распалубке, используются жесткие смеси с пониженным расходом цемента.

Относительный объем крупного заполнителя в этом случае увеличивается. Следовательно, при одних и тех же прочностных характеристиках бетона его состав может изменяться в больших пределах. На структурообразование бетона влияет технология изготовления изделий: качество перемешивания бетонной смеси, ее транспортировка, уплотнение, термовлажностная обработка во время твердения. Из этого следует, что на свойство затвердевшего бетона оказывает влияние большое количество факторов, причем влияние неоднозначное и носит случайный характер. Этим объясняется высокая степень неоднородности бетона как по составу, так и по его свойствам. Неоднородность и различные свойства бетона отражаются и на его акустических характеристиках.

В настоящее время, несмотря на многочисленные попытки, еще не разработана единая схема и теория распространения ультразвука через бетон, что объясняется) в первую очередь, наличием указанных выше многочисленных факторов, которые по-разному влияют на прочностные и акустические свойства бетона. Такое положение усугубляется и тем, что еще не разработана общая теория распространения ультразвуковых колебаний через материал с высокой степенью неоднородности. Только поэтому скорость ультразвука в бетоне определяется как для однородного материала по формуле

где L - путь, пройденный ультразвуком, м (база);

t - время, затраченное на прохождение данного пути, мкс.

Рассмотрим более подробно схему распространения импульсного ультразвука через бетон как через неоднородный материал. Но вначале ограничим область, в которой будут справедливы наши рассуждения, тем, что рассмотрим наиболее распространенный на заводах ЖБИ и стройках состав бетонной смеси, состоящей из цемента, речного песка, крупного заполнителя и воды. При этом будем считать, что прочность крупного заполнителя выше, чем прочность бетона. Это справедливо при использовании в качестве крупного заполнителя известняка, мрамора, гранита, доломита и других пород с прочностью порядка 40 МПа. Условно примем, что затвердевший бетон состоит из двух компонентов: относительно однородной растворной части с плотностью ρ и скоростью V и крупного заполнителя с ρ и V .

С учетом отмеченных допущений и ограничений затвердевший бетон можно рассматривать как твердую среду с акустическим импедансом:

Рассмотрим схему распространения головной ультразвуковой волны от излучателя 1 к приемнику 2 через затвердевший бетон толщиной L (рис. 2.2.57).

Рис. 2.2.57. Схема распространения головной ультразвуковой волны

в бетоне:

1 - излучатель; 2 - приемник; 3 - контактный слой; 4 - распространение волны в гранулах; 5 - распространение волны в растворной части

Головная ультразвуковая волна от излучателя 1 в первую очередь попадает в контактный слой 3, расположенный между излучающей поверхностью и бетоном. Для прохождения через контактный слой ультразвуковой волны он должен быть заполнен проводящей жидкостью или смазкой, в качестве которой чаще всего используется технический вазелин. Пройдя через контактный слой (за время t 0), ультразвуковая волна частично отражается в обратном направлении, а остальная часть войдет в бетон. Чем тоньше контактный слой по сравнению с длиной волны, тем меньшая часть волны отразится.

Войдя в толщу бетона, головная волна начнет распространяться в растворной части бетона на площади, соответствующей диаметру излучателя. Пройдя определенное расстояние Δl 1 , через время Δt 1 головная волна на определенной площади встретит одну или несколько гранул крупного заполнителя, частично от них отразится, а большая часть войдет в гранулы и начнет в них распространяться. Между гранулами волна будет продолжать распространяться по растворной части.

Учитывая принятое условие, что скорость ультразвука в материале крупного заполнителя больше, чем в растворной части, расстояние d, равное усредненному значению диаметра щебня, первой пройдет волна, которая распространялась через гранулы со скоростью V 2 , а волна, прошедшая через растворную часть, будет запаздывать.

Пройдя через первые гранулы крупного заполнителя, волна подойдет к границе раздела с растворной частью, частично отразится, а частично войдет в нее. При этом гранулы, через которые прошла головная волна, в дальнейшем можно рассматривать как элементарные сферические источники излучения ультразвуковой волны в растворную часть бетона, к которой можно применить принцип Гюйгенса.

Пройдя по раствору минимальное расстояние между соседними гранулами, головная волна войдет в них и начнет по ним распространяться, превращая их в очередные элементарные источники. Таким образом, через время t, пройдя всю толщу бетона L и второй контактный слой 3, головная волна попадет в приемник 2, где преобразуется в электрический сигнал.

Из рассмотренной схемы следует, что головная волна от излучателя 1 к приемнику 2 распространяется по пути, проходящему через гранулы крупного заполнителя и растворную часть, соединяющую эти гранулы, причем этот путь определяется из условия минимума затраченного времени t.

Отсюда время t равно

где - время, затраченное на прохождение растворной части, соединяющей гранулы;

Время, затраченное на прохождение через гранулы. Пройденный ультразвуком путь L равен

где: - общий путь, пройденный головной волной через растворную часть;

Общий путь, пройденный головной волной через гранулы.

Полное расстояние L, которое пройдет головная волна, может быть больше геометрического расстояния между излучателем и приемником, поскольку волна распространяется по пути максимальной скорости, а не по минимальному геометрическому расстоянию.

Время, затраченное ультразвуком на прохождение через контактные слои, необходимо вычитать из общего измеренного времени.

Волны, которые следуют за головной, также распространяются по пути максимальной скорости, но при своем движении будут встречать отраженные волны от границ раздела гранул крупного заполнителя и растворной части. Если диаметр гранул окажется равным длине волны или ее половине, то может возникнуть внутри гранулы акустический резонанс. Эффект интерференции и резонанса можно наблюдать при спектральном анализе пачки ультразвуковых волн, прошедших через бетон с различной крупностью заполнителя.

Рассмотренная выше схема распространения головной волны импульсного ультразвука справедлива только для бетонов с указанными в начале раздела свойствами, т.е. механическая прочность и скорость распространения ультразвука в материале, из которого получены гранулы крупного заполнителя, превышают прочность и скорость в растворной части бетона. Такими свойствами обладает большинство бетонов, применяемых на заводах ЖБИ и строительных площадках, в которых используется щебень из известняка, мрамора, гранита. Для керамзитобетона, пенобетона, бетона с туфовым заполнителем схема распространения ультразвука может быть другой.

Справедливость рассмотренной схемы подтверждается экспериментами. Так, из рис. 2.2.54 видно, что при добавлении к цементной части определенного количества щебня скорость ультразвука повышается при незначительном увеличении (а иногда и уменьшении) прочности бетона.

На рис. 2.2.56 заметно, что с повышением скорости ультразвука в материале крупного заполнителя скорость его в бетоне возраcтает.

Увеличение скорости в бетоне с более крупным заполнителем (рис. 2.2.55) также объясняется данной схемой, поскольку с увеличением диаметра удлиняется путь прохождения ультразвука через материал заполнителя.

Предложенная схема распространения ультразвука позволит объективно оценить возможности ультразвукового метода при дефектоскопии и контроле прочности бетона.

Ультразвук - упругая механическая продольная волна, частота которой превышает 20000Гц . В медицине применяется УЗ частотой 1-1,5МГц.

Ультразвуковая волна вследствие высокой её частоты распространяется в виде лучей (из-за малой длины УЗ-волны можно пренебречь её волновыми свойствами). Такие лучи можно сфокусировать с помощью специальных акустических линз и достигнуть, таким образом, большой интенсивности УЗ-волны. Кроме того, поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату частоты и амплитуды колебаний, то высокая частота УЗ-волны даже при малых её амплитудах предопределяет возможность получения УЗ-волн большой интенсивности.

Способы получения ультразвука :

1. магнитострикционный (получают ультразвук до 200кГц). Магнитострикция - это изменение формы и объёма ферромагнетика (железо, его сплавы с никелем) при помещении его в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле - это поле, вектор магнитной индукции которого изменяется во времени по гармоническому закону, т.е. изменение указанного параметра характеризуется определённой частотой. Это поле действует как вынуждающая сила, заставляющая стержень из железа сжиматься и растягиваться в зависимости от изменения величины магнитной индукции во времени. Частота сжатий и растяжений будет определяться частотой переменного магнитного поля. При этом в воздухе у концов стержня возникают деформации сжатия, которые распространяются в виде УЗ - волн.

Увеличения амплитуды УЗ-волн добиваются путём подбора такой частоты переменного магнитного поля, при которой наблюдается резонанс между собственными и вынужденными колебаниями стержня.

2. обратный пьезоэлектрический эффект (получают ультразвук более 200кГц). Пьезоэлектрики - вещества кристаллического строения, имеющие пьезоэлектрическую ось, то есть направление, в котором они легко деформируются (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) Когда такие вещества помещают в переменное электрическое поле (по гармоническому закону колеблется напряжённость электрического поля), пьезоэлектрики начинают сжиматься и растягиваться вдоль пьезоэлектрической оси с частотой переменного электрического поля. При этом вокруг кристалла возникают механические возмущения - деформации сжатия и разряжения, которые распространяются в виде УЗ-волн. В достижении нужной амплитуды играют роль резонансные явления.

Эффект назван обратным, поскольку исторически раньше был открыт прямой пьезоэлектрический эффект - явление возникновения переменного электрического поля при деформации пьезоэлектриков.

Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта очень важно для работы УЗ- диагностических приборов. Для того чтобы направить УЗ-волну на тело пациента, необходимо получить её, что делают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Для того чтобы зарегистрировать и визуализировать отражённую УЗ-волну, необходимо её превратить в электрическое поле, чего достигают с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта.

Особенности распространения УЗ-волн

1) В однородной среде. При прохождении УЗ-волны интенсивностью I через слой вещества шириной её интенсивность уменьшается и становится равной I = I 0 ·e -αd , где I 0 - начальная интенсивность УЗ-волны; I - интенсивность волны после прохождения через слой вещества, d - ширина слоя вещества, - α коэффициент угасания волны.

Угасание УЗ-волны вызвано двумя процессами: рассеянием энергии в тканях (связано с клеточной неоднородностью органов) и её поглощением (связано с макромолекулярной структурой тканей). Значение коэффициента угасания - важный диагностический признак. Так, печень имеет малый коэффициент угасания УЗ-волн вследствие малого коэффициента рассеяния. При циррозе эта величина резко возрастает.

Поглощение тканями УЗ-волн - основа диагностики состояния внутренних органов по принципу трансмиссии - анализа интенсивности волны, прошедшей через тело пациента, и применения УЗ в терапии и хирургии.

2) На границе двух сред. При попадании УЗ-волны интенсивностью на границу раздела сред происходит отражение волны и поглощение волны.

Часть энергии, которая будет заключена в отражённой волне, зависит от соотношения акустических сопротивлений сред. Так на границе тело пациента- воздух отражается почти 100% энергии. Поэтому, чтобы УЗ-волна попала в тело пациента применяют специальные гели (цель - уменьшить перепад акустического сопротивления сред).

Отражение УЗ волны от неоднородностей и границ внутренних органов - основа диагностики их состояния по принципу эхолокации - анализа интенсивности отражённой УЗ - волны. УЗ - волна, направленная на тело пациента, называется зондирующим сигналом , а отражённая УЗ-волна - эхосигналом.

Отражение УЗ-волн также зависит от размера отражающих структур:

Если размер отражающих структур сопоставим с длинной УЗ-волны, то будет происходить дифракция волн, т.е. огибание волной структуры с последующим рассеянием энергии в тканях и формированием УЗ-тени. Это ограничивает разрешающую способность УЗ-диагностики;

Если размер отражающих структур больше длины УЗ-волны, то последняя будет отражаться, причём интенсивность эхосигнала будет зависеть от направления зондирующего сигнала, формы и размера отражающих структур. Существуют так называемые зеркальные структуры , амплитуда эхосигналов от которых имеет самые большие значения (кровеносные сосуды, полости, границы органов и тканей).

В целом, однако, интенсивность эхосигналов очень невелика, что требует для их регистрации очень чувствительной аппаратуры, но, с другой стороны, определяет проникновение УЗ-волн в более глубоколежащие внутренние структуры и способствует их визуализации.

Применение ультразвука в диагностике

С диагностической целью применяют УЗ-волны малой интенсивности, которые не вызывают биологических эффектов в тканях, - до 0,1 Вт на кв.см.

С помощью УЗ-датчика на основе обратного пьезоэлектрического эффекта получают УЗ зондирующий сигнал и принимают эхосигнал. Последний в датчике в результате прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуется в переменное электрическое поле, что позволяет зарегистрировать, усилить и визуализировать эхосигналы с помощью электронной аппаратуры.

По способу регистрации и отражения на экране электронных приборов эхосигналов различают следующие режимы УЗ-сканирования:

- А-режим (amplitude mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в электрическое поле, вызывают вертикальное отклонение луча развёртки в форме пиков, амплитуда которых будет зависеть от интенсивности отражённой УЗ-волны, а местоположение на экране осциллографа - глубину залегания отражающей структуры в масштабе измерительного устройства. Примером использования А-режима в медицине является эхоэнцефалоскопия - методика УЗ-сканирования, используемая в неврологии и нейрохирургии для диагностики объёмных поражений головного мозга (гематом, опухолевых процессов и т.д.). Основные эхосигналы (максимальные по амплитуде) формируются при отражении от черепной коробки в месте расположения датчика, срединных структур, черепной коробки противоположной стороны. Смещение центрального пика в правую или левую сторону может указывать на наличие патологии соответственно левого или правого полушарий мозга.

- В-режим (brightness mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в электрическое поле, вызывают на экране свечение точек разной яркости: чем большее колебание напряжённости электрического поля (что, в свою очередь, зависит от интенсивности эхосигнала), тем более яркое и объёмное пятно образуется на экране измерительного прибора. Для реализации режима используют сложноустроенные датчики УЗ-волн, которые содержат множество элементов, излучающих зондирующие стимулы и преобразующих эхосигналы. Направление зондирующих сигналов также меняется. Электронная аппаратура накапливает данные исследования одного и того же участка тела, полученных с помощью всех элементов датчика и в разных направлениях, и, интегрируя их, формирует изображение исследуемого органа в реальном режиме времени в масштабе измерительного устройства. Таким образом можно получить двумерные эхотомограммы.

- М-режим (motion mode). Позволяет получать эхограммы подвижных структур организма. Как и при осуществлении А-режима, направление зондирующих сигналов остаётся неизменным на протяжении всего времени исследования, однако зондирование осуществляется многократно так, чтобы период формирования М- эхограммы превышал период движения исследуемых структур и период формирования А- эхограммы. Регистрируется изменение глубины залегания подвижной структуры во времени (перемещение луча измерительного устройства вдоль оси х ). Амплитуда эхосигналов отображается в виде пятен различной яркости (как в режиме В). При каждом последующем зондировании продольная эхограмма смещается на малую величину в направлении, перпендикулярном оси изображения глубины (времени). Чаще всего в клинике используется эхокардиография.

Взаимодействие ультразвука с веществом. Применение ультразвука в терапии и хирургии.

УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество:

- механическое действие . Оно связано с деформацией микроструктуры вещества вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с образованием полостей - кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии.

- тепловое действие . Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде тепла, что приводит к их нагреванию.

- физико-химическое действие . Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ, ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т.д.

На комплексном действии механических, тепловых и физико-химических факторов основано биологическое действие УЗ . Это действие будет определяться интенсивностью УЗ-волны.

УЗ малой и средней интенсивности (соответственно 1,5 Вт на кв . см . и 3 Вт на кв.см ) вызывают в живых организмах позитивные эффекты, стимулирует протекание нормальных физиологических процессов. Это основа использования УЗ в физиотерапии. УЗ улучшает проницаемость клеточных мембран, активизирует все виды транспорта через мембрану, влияет на скорость протекания биохимических реакций.

Увеличение интенсивности УЗ-волны приводит к разрушающему его действию на клетки. Это используется для стерилизации медицинских помещений путём уничтожения ультразвуком вирусов и клеток бактерий и грибков.

УЗ высокой интенсивности широко используется в хирургии. Некоторые операции проводятся с помощью ультразвукового скальпеля. Они безболезненны, сопровождаются малыми кровотечениями, раны быстрее заживают, в том числе вследствие стерилизации раны УЗ.

Широкое использование имеет УЗ в ортопедии: для проведения некоторых операций на кости применяется УЗ-пилка , УЗ применяется для соединения костей между собой и скрепления с ними костных имплантантов.

Литотрипсия - методика разрушения камней в почках и жёлчном пузыре с помощью направленного действия УЗ волн большой интенсивности.

Эходоплерография

Эффект Доплера - изменение частоты волн, которые воспринимаются приёмником вследствие относительного движения источника волн и приёмника. Для вычисления частоты волн, которые воспринимаются приемником, пользуются формулой:

Где v приемн - частота волн, воспринимаемых приемником, v ист - частота волн, испускаемых источником, v 0 - скорость волны, u 0 - скорость движения приемника волн, u ист - скорость движения источника волн.

Верхние знаки в числителе и знаменателе характеризуют случаи приближения друг к другу источника и приёмника УЗ-волн, а нижние знаки - случаи отдаления источника и приёмника УЗ-волн.

Эходоплерография - методика исследования скорости кровотока и движения подвижных структур организма (сердце и сосуды), основанная на применении эффекта Доплера.

В мягкие ткани с помощью неподвижного датчика излучается УЗ-волна определённой частоты ν , после чего регистрируют эхосигналы, отражённые от подвижных элементов (главным образом, от эритроцитов крови) и имеющие вследствие эффекта Доплера частоту ν``.

Доплеровский эффект наблюдается дважды:

Сначала датчик является источником волн частотой ν, а эритроцит - приёмником. Вследствие движения эритроцит воспримет волну частотой ν`.

Эритроцит отразит попавшую на него УЗ-волну частотой ν`, но датчик, к которому вернётся эхосигнал, вследствие подвижности эритроцита воспримет его частотой ν``.

Диагностическим признаком является разность Δν = ν - ν`` , которая называется доплеровским сдвигом частоты . Эта разность зависит от скорости движения эритроцитов, т.е. и скорости кровотока в целом.

Доплеровский сдвиг частот находиться в звуковом диапазоне и может быть услышан опытным врачом с помощью специальных приспособлений. Существуют и более современные методы визуализации доплеровского сдвига частот.

Ультразвук - упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных областях физики, технологии, химии и медицины.

Источники Ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.Примеры излучателей:свисток Гальтона,жидкостный и ультразвуковой свисток,сирена.

Распространение ультразвука.

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной

скоростью.

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1-0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие её ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Колебания и волны . Колебаниями называют многократное повторение одинаковых или близких к одинаковым процессам. Процесс распространения колебаний в среде именуют волновым. Линию, указывающую направление распространения волны, называют лучом, а границу, определяющую колеблющиеся частицы от частиц среды, еще не начавших колебаться, - фронтом волны .

Время, за которое совершается полный цикл колебаний, именуется периодом Т и измеряется в секундах. Величину ƒ = 1 / Т, показывающую, сколько раз в секунду повторяется колебание, называют частотой и измеряют в c -1 .

Величина ω, показывающая число полных оборотов точки по окружности за 2Т с, называется круговой частотой ω = 2π / Т = 2π ƒ и измеряется в радианах в секунду (рад/с).

Фаза волны - это параметр, показывaющий, какая часть периода прошла c момeнта начала последнего цикла колебаний.

Длина волны λ - минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одинаковой фазе. Длина волны связана с частотой ƒ и скоростью с соотношением: λ = с / ƒ . Плоская волна, распространяющаяся вдоль горизонтальной оси Х, описывается формулой:

u = U cоs (ω t - kх) ,

гдe k = 2 π / λ. - волновое число; U - амплитуда колебаний.

Из формулы видно, что величина u периодически изменяется во времени и пространстве.

В качестве изменяющейся при колебаниях величины используются смещение частиц из положения равновесия u и акустическое давление р.

В ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии обычно используют колебания с частотой 0,5...15 МГц (длина продольной волны в стaли 0,4...12 мм) и амплитудой смещения 10 -11 ...10 -4 мм (возникающие в стали на частоте 2 МГц акустические напряжения 10... 10 8 Па).

Интенсивность волны I равна I = р 2 /(2ρс) ,

где ρ - плотность среды, в которой распространяется волна.

Интенсивность используемых для контроля волн очень мала (~10 -5 Bт/м 2). При дефектоскопии регистрируют не интенсивность, а амплитуду волн А. Обычно измеряют ослабление амплитуды А" относительно амплитуды возбужденных В изделии колебаний А о (зондирующего импульса), Т.е. отношение А" / А о. Для этого применяют логарифмические единицы децибелы (дБ), Т.е. А" / А о = 20 Ig А" / А о.

Типы волн . В зависимости от направления колебаний частиц относительно луча различают несколько типов волн.

Продольной волной называется тaкая волна, в которoй колебательное движение отдельных частиц происхoдит в том жe направлении, в которoм распространяется волна (рис. 1).

Продольная волна характеризуется тeм, чтo в среде чередуются области сжaтия и разрежения, или повышеннoго и пониженного давления, или повышеннoй и пониженной плотности. Пoэтому их такжe называют волнами давления, плотноcти или сжатия. Продольные мoгут распространяться в твердых телах, жидкоcтях, газах.

Рис. 1. Колебание частиц срeды v в продольной волне .

Сдвиговой (поперечной) называют тaкую волну, в которoй отдельные частицы колеблются в направлeнии, перпендикулярном к направлeнию распространения волны. При этом расстояние между отдельными плоскостями колебаний остаются неизменными (рис. 2).

Рис. 2. Колебание частиц срeды v в поперечной волне .

Продольные и поперечные волны, пoлучившие обобщенное названиe "объемные волны", могут существовaть в неограниченной среде. Эти наиболеe широко примeняютcя для ультразвуковой дефектоскопии.

Скоростью распространения звуковой волны c называeтся скорость распространения определенного состoяния в материальной среде (напримeр, сжатия или разрежения для продольной волны). Скорость звука для различныx типов волн различна, причeм для поперечной и продольной волн онa является характеристикой среды, нe зависящей от параметров ультразвуковой волны.

Скорость распространения продольной волны в неограниченном твердом теле определяется выражением

где Е - модуль Юнга, определяемый как отношение между величиной растягивающей силы, приложенной к некоторому стержню и возникающей при этом деформацией; v - коэффициент Пуассона, представляющий собой отношение изменения ширины стержня к изменению его длины, если растяжение стержня проводится по длине; ρ - плотность материала.

Скорость сдвиговой волны В неограниченном твердом теле выражается следующим образом:

Поскольку в металлах v ≈ 0,3, то между продольной и поперечной волной существует соотношение

c t ≈ 0,55 с l .

Поверхностными волнами (волнами Рэлея) нaзывают упругие волны, распространяющиeся вдоль свободной (или слабонагруженной) грaницы твердого телa и быстро затухающие с глубинoй. Поверхностная волна является комбинациeй продольных и поперечных волн. Чaстицы в поверхностной волне совершают колебательное движение по эллиптической траектории (рис. 3). Большая ось эллипса пpи этoм перпендикулярна к границе.

Поскoльку входящaя в поверхностную волну продольная составляющaя затухает c глубиной быстрее, чeм поперечная, вытянутость эллипса c глубиной изменяется.

Поверхностная волна имеет скорость с s = (0,87 + 1,12v) / (1+v)

Для металлов с s ≈ 0,93с t ≈ 0,51 c l .

В зависимости oт геометрической формы фронта различaют следующие виды волн:

• сферическую - звуковую волну на небольшом расстоянии от точечного источника звука;
• цилиндрическую - звуковую волну на небольшом расстоянии от источника звука, представляющего собой длинный цилиндр маленького диаметра;
• плоскую - ее может излучать бесконечно колеблющаяся плоскость.

Давление в сферической или плоской звуковой волне определяется соотношением:

где v - величина колебательной скорости.

Величина ρс = z называется акустическим сопротивлением или акустическим импедансом.

Рис. 3. Колебание частиц срeды v в поверхностной волне .

Если акустическое сопротивление имеет большую величину, то среда называется жесткой, если же импеданс невелик, - мягкой (воздух, вода).

Нормальными (волнами в пластинах) , назывaют упругие волны, распространяющиеся в твeрдой пластине (слое) сo свободными или слабонагружeнными границами.

Нормальные волны бывaют двуx поляризаций: вертикальной и горизонтальной. Из двух типов волн наибольшее применение в практике получили волны Лэмба - нормальные волны с вертикальной поляризацией. Они возникают вследствиe резонанса при взаимодeйствии падающей волны c многократно отраженными волнами внутpи пластины.

Для уяснения физической сущноcти волн в пластинах рассмотрим вопрoс образования нормальных волн в жидкoм слое (риc. 4).

Рис. 4. К вопросу возникновения нормальных воли в слое жидкости .

Пусть нa слой толщиной h падает извнe плоская волна под углoм β. Линия AD показываeт фронт падающей волны. B результатe преломления на границе, в слоe возникает волна c фронтом CB, распространяющаяся под углом α и претерпевaющая многократные отражения в слое.

Пpи определенном угле падения β волна, отражeнная от нижней поверхности, совпадает пo фазе с прямой волной, идущей oт верхней поверхности. Это и есть условие возникновения нормальных волн. Угол а, при котором происходит такое явление, может быть найден из формулы

h cos α = n λ 2 / 2

Здесь n - целое число; λ 2 - длина волны в слое.

Для твердого слоя сущность явления (резонанс объемных волн при наклонном падении) сохраняется. Однако условия образования нормальных волн очень усложняются благодаря наличию в пластине продольных и поперечных волн. Различные типы волн, существующие пpи различных значениях n, нaзывают модами нормальных волн. Ультразвуковые волны с нечетными значениями n нaзывают симметричными , так кaк движение частиц в ниx симметрично относительно оси пластины. Волны с четными значениями n называют антисимметричными (рис. 5).

Рис. 5. Колебание частиц сpеды v в нормальной волне .

Головные волны. В реальных условиях ультразвукового контроля наклонным преобразователем фронт ультразвуковой волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя ось которого ориентирована под первым критическим углoм к границе раздела, на границу падают также продольные волны с углами, несколько меньшими и несколько большими первого критического. При этом в стали возбуждается ряд типов ультразвуковых волн.

Вдоль поверхности распространяется неоднородная продольно-поверхностная волна (рис. 6). Эту волну, состоящую из поверхностной и объемнoй компонент, называют также вытекающей, или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны с в незначительно превышает скорость продольной волны (для стали с в = 1,04с l).

Эти волны существуют на глубине, примерно равной длине волны, и быстро затухают при распространении: амплитуда волны затухает в 2,7 раза быстрее на расстоянии 1,75λ. вдоль поверхности. Ослабление связано с тем, что в каждой точке границы раздела генерируются поперечные волны под углом α t2 , равным третьему критическому углу, называемые боковыми волнами. Этот угол определяется из соотношения

sin α t2 = (c t2 - c l2)

для стали α t2 = 33,5°.

Рис. 6. Акустическое поле преобразователя голoвной волны: ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь .

Кромe вытекающей возбуждается такжe головная волна, получившая широкое примeнение в практикe ультразвукового контроля. Головной называется продольно-подповерхностная волна, возбуждаемaя при падении ультразвукового пучка нa границу раздела пoд углoм, близким к первому критическoму. Скорость этой волны равнa скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°.

Рис. 7. Амплитуда отражения головной волны в зависимости от глубины залегания плоскодонных отверстий .

Головная волна, кaк и вытекающая, порождаeт боковые поперечные ультразвуковые волны пoд третьим критическим углом к грaнице раздела. Одновременнo c возбуждением продольно-поверхностной волны образуeтся обратная продольно-поверхностная волна - распространeние упругого возмущения в сторону, противополoжную прямому излучению. Еe амплитуда в ~100 раз мeньше амплитуды прямой волны.

Головнaя волна нечувствительна к неровностям поверхноcти и реагирует лишь нa дефекты, залегающие под поверхностью. Ослаблениe амплитуды продольно-подповерхностной волны вдoль луча любого направления происходит кaк в обычнoй объемной продольной волне, т.e. пропорционально l / r, гдe r - расстояние вдоль луча.

Нa риc. 7 показано изменение амплитуды эхосигнала oт плоскодонных отверстий, расположенных нa разнoй глубинe. Чувствительность к дефектам вблизи поверхности близкa к нулю. Максимальная амплитуда пpи расстоянии 20 мм достигаетcя для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.

Другие страницы по теме

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике, написанного сотрудниками кафедры ультразвуковой диагностики Российской медицинской академии после­дипломного образования под ред.Митькова В.В.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКА

Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека. Собственно получение изображения можно разделить на две части. Первая - излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани, и второе - формирование изображения на основе отраженных сигналов. Понимание принципа работы ультразвуковой диагностической установки, знание основ физики ультразвука и его взаимодействия с тканями тела человека помогут избежать механического, бездумного использования прибора, и, следовательно, более грамотно подходить к процессу диагностики.

Звук - это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рис. 1. Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда - он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения - средой, а длина волны - и источником звука, и средой. Частота - это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2. Частота ультразвуковой волны 2 цикла в 1 с = 2 Гц

Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц - это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Что же делает звук «ультра»? Это частота. Верхняя граница слышимого звука - 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) - является нижней границей ультра­звукового диапазона. Ультра­звуковые локаторы летучих мышей работают в диапазоне 25÷500 кГц. В современных ультра­звуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше. Период - это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний (рис. 3).

Рис. 3. Период ультразвуковой волны.

Единицами измерения периода являются секунда (с) и микросекунда (мкс). Одна микросекунда является одной миллионной долей секунды. Период (мкс) = 1/частота (МГц). Длина волны - это длина, которую занимает в пространстве одно колебание (рис. 4).

Рис. 4. Длина волны.

Единицы измерения - метр (м) и миллиметр (мм). Скорость распространения ультразвука - это скорость, с которой волна перемещается в среде. Единицами скорости распространения ультразвука являются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микросекунду (мм/мкс). Скорость распространения ультразвука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности срелы. В таблице 2.1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека.

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с - на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов. Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением: С = f × λ. Так как в нашем случае скорость считается постоянной (1540 м/с), то оставшиеся две переменные f и λ связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объектов, которые мы можем увидеть. Еще одним важным параметром среды является акустическое сопротивление (Z). Акустическое сопротивление - это произведение значения плотности среды и скорости распространения ультразвука. Сопротивление (Z) = плотность (р) × скорость распространения (С).

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается трансдьюсером непрерывно (постоянной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. Частота повторения импульсов - это число импульсов, излучаемых в единииу времени (секунду). Частота повторения импульсов из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Продолжительность импульса - это временная протяженность одного импульса (рис. 5).

Рис. 5. Продолжительность ультразвукового импульса.

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мкс). Фактор занятости - это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импульсов) ультразвука. Пространственная протяженность импульса (ППИ) - это длина пространства, в котором размещается один ультразвуковой импульс (рис. 6).

Рис. 6. Пространственная протяженность импульса.

Для мягких тканей пространственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1,54 (скорость распространения ультразвука в мм/мкс) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f. Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колебаний в импульсе или увеличения частоты. Амплитуда ультразвуковой волны - это максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения (рис. 7).

Рис. 7. Амплитуда ультразвуковой волны

Интенсивность ультразвука - это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см). При равной мощности излучения чем меньше площадь потока, тем выше интенсивность. Интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ультразвука, во времени.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием. Единицей затухания является децибел (дБ). Коэффициент затухания - это ослабление ультразвукового сигнала на единииу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях и уменьшение интенсивности эхосигнала в зависимости от частоты представлены в таблице 2.2.

ОТРАЖЕНИЕ И РАССЕИВАНИЕ

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения. В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под углом) падения ультразвукового луча. При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется (рис. 8).

Рис. 8. Перпендикулярное падение ультразвукового луча.

Интенсивность отраженного ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зависит от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом отражения. Отношение интенсивности ультразвуковой волны, прошедшей через границу сред, к интенсивности падающей волны называется коэффициентом проведения ультразвука. Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одинаковое акустическое сопротивление - отражения ультразвука не будет. С другой стороны, при большой разнице акустических сопротивлений интенсивность отражения стремится к 100%. Примером этого служит граница воздух/мягкие ткани. На границе этих сред происходит практически полное отражение ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды (гель). При наклонном падении ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и угол преломления (рис. 9).

Рис. 9. Отражение, преломление.

Угол падения равен углу отражения. Преломление - это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука. Синус угла преломления равен произведению синуса угла падения на величину, полученную от деления скорости распространения ультразвука во второй среде на скорость в первой. Синус угла преломления, а, следовательно, и сам угол преломления тем больше, чем больше разность скоростей распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол падения равен 0. Говоря об отражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение (описанное выше). В случае, если длина волны сопоставима с неровностями отражающей поверхности или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание ультразвука.

Рис. 10. Обратное рассеивание.

При обратном рассеивании (рис. 10) ультразвук отражается в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты (т.е. уменьшением длины волны) ультразвука. Рассеивание относительно мало зависит от направления падающего луча и, следовательно, позволяет лучше визуализировать отражающие поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Для того, чтобы отраженный сигнал был правильно расположен на экране, необходимо знать не только направление излученного сигнала, но и расстояние до отражателя. Это расстояние равно 1/2 произведения скорости ультразвука в среде на время между излучением и приемом отраженного сигнала (рис. 11). Произведение скорости на время делится пополам, так как ультразвук проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад), а нас интересует только расстояние от излучателя до отражателя.

Рис. 11. Измерение расстояния с помощью ультразвука.

Датчики и ультразвуковая волна.

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи - трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рис. 12).

Рис. 12. Обратный пьезоэлектрический эффект.

С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная частота} определяется отношением скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте (рис. 13).

Рис. 13. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик. Обычно в ультразвуковых приборах для излучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы. Поэтому термины «преобразователь», «трансдьюсер», «датчик» являются синонимами. Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства и, в зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для приборов медленного сканирования (одноэлементные) и быстрого сканирования (сканирования в реальном времени) - механические и электронные. Механические датчики могут быть одно- и многоэлементные (анулярные). Развертка ультразвукового луча может достигаться за счет качания элемента, вращения элемента или качания акустического зеркала (рис. 14).

Рис. 14. Механические секторные датчики.

Изображение на экране в этом случае имеет форму сектора (секторные датчики) или окружности (круговые датчики). Электронные датчики являются многоэлементными и в зависимости от формы получаемого изображения могут быть секторными, линейными, конвексными (выпуклыми) (рис. 15).

Рис. 15. Электронные многоэлементные датчики.

Развертка изображения в секторном датчике достигается за счет качания ультразвукового луча с его одновременной фокусировкой (рис. 16).

Рис. 16. Электронный секторный датчик с фазированной антенной.

В линейных и конвексных датчиках развертка изображения достигается путем возбуждения группы элементов с пошаговым их перемещением вдоль антенной решетки с одновременной фокусировкой (рис. 17).

Рис. 17. Электронный линейный датчик.

Ультразвуковые датчики в деталях отличаются устройством друг от друга, однако их принципиальная схема представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Устройство ультразвукового датчика.

Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного излучения образует ультразвуковое поле, форма которого меняется в зависимости от расстояния (рис. 19).

Рис. 19. Два поля нефокусированного трансдьюсера.

Иногда могут наблюдаться дополнительные ультразвуковые «потоки», получившие названия боковых лепестков. Расстояние от диска на длину протяженности ближнего поля (зоны) называется ближней зоной. Зона за границей ближней называется дальней. Протяженность ближней зоны равна отношению квадрата диаметра трансдьюсера к 4 длинам волны. В дальней зоне диаметр ультразвукового поля увеличивается. Место наибольшего сужения ультразвукового луча называется зоной фокуса, а расстояние между трансдьюсером и зоной фокуса - фокусным расстоянием. Существуют различные способы фокусировки ультразвукового луча. Наиболее простым способом фокусировки является акустическая линза (рис. 20).

Рис. 20. Фокусировка с помощью акустической линзы.

С ее помощью можно сфокусировать ультразвуковой луч на определенной глубине, которая зависит от кривизны линзы. Данный способ фокусировки не позволяет оперативно изменять фокусное расстояние, что неудобно в практической работе. Другим способом фокусировки является использование акустического зеркала (рис. 21).

Рис. 21. Фокусировка с помощью акустического зеркала.

В этом случае, изменяя расстояние между зеркалом и трансдьюсером, мы будем менять фокусное расстояние. В современных приборах с многоэлементными электронными датчиками основой фокусировки является электронная фокусировка (рис. 17). Имея систему электронной фокусировки, мы можем с панели прибора изменять фокусное расстояние, однако, для каждого изображения мы будем иметь только одну зону фокуса. Так как для получения изображения используются очень короткие ультразвуковые импульсы, излучаемые 1000 раз в секунду (частота повторения импульсов 1 кГц), то 99,9% времени прибор работает как приемник отраженных сигналов. Имея такой запас времени, возможно запрограммировать прибор таким образом, чтобы при первом получении изображения была выбрана ближняя зона фокуса (рис. 22) и информация, полученная с этой зоны, была сохранена.

Рис. 22. Способ динамической фокусировки.

Далее - выбор следующей зоны фокуса, получение информации, сохранение. И так далее. В результате получается комбинированное изображение, сфокусированное по всей глубине. Следует, правда, отметить, что такой способ фокусировки требует значительных временных затрат на получение одного изображения (кадра), что вызывает уменьшение частоты кадров и мерцание изображения. Почему же столько усилий прикладывается для фокусировки ультразвукового луча? Дело в том, что чем уже луч, тем лучше боковая (латеральная, по азимуту) разрешающая способность. Боковая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными перпендикулярно направлению распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 23).

Рис. 23. Способ динамической фокусировки.

Боковая разрешающая способность равна диаметру ультразвукового луча. Осевая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными вдоль направления распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 24).

Рис. 24. Осевая разрешающая способность: чем короче ультразвуковой импульс, тем она лучше.

Осевая разрешающая способность зависит от пространственной протяженности ультразвукового импульса - чем короче импульс, тем лучше разрешение. Для укорочения импульса используется как механическое, так и электронное гашение ультразвуковых колебаний. Как правило, осевая разрешающая способность лучше боковой.

ПРИБОРЫ МЕДЛЕННОГО СКАНИРОВАНИЯ

В настоящее время приборы медленного (ручного, сложного) сканирования представляют лишь исторический интерес. Морально они умерли с появлением приборов быстрого сканирования (приборов, работающих в реальном времени). Однако их основные компоненты сохраняются и в современных приборах (естественно, с использованием современной элементной базы). Сердцем является главный генератор импульсов (в современных аппаратах - мощный процессор), который управляет всеми системами ультразвукового прибора (рис. 25).

Рис. 25. Блок-схема ручного сканера.

Генератор импульсов посылает электрические импульсы на трансдьюсер, который генерирует ультразвуковой импульс и направляет его в ткани, принимает отраженные сигналы, преобразовывая их в электрические колебания. Эти электрические колебания далее направляются на радиочастотный усилитель, к которому обычно подключается временно-амплитудный регулятор усиления (ВАРУ) - регулятор компенсации тканевого поглощения по глубине. Ввиду того, что затухание ультразвукового сигнала в тканях происходит по экспоненциальному закону, яркость объектов на экране с увеличением глубины прогрессивно падает (рис. 26).

Рис. 26. Компенсация тканевого поглощения.

Использование линейного усилителя, т.е. усилителя, пропорционально усиливающего все сигналы, привело бы к переусилению сигналов в непосредственной близости от датчика при попытке улучшения визуализации глубоко расположенных объектов. Использование логарифмических усилителей позволяет решить эту проблему. Ультразвуковой сигнал усиливается пропорционально времени задержки его возвращения - чем позже вернулся, тем сильнее усиление. Таким образом, применение ВАРУ позволяет получить на экране изображение одинаковой яркости по глубине. Усиленный таким образом радиочастотный электрический сигнал подается затем на демодулятор, где он выпрямляется и фильтруется и еще раз усиленный на видеоусилителе подается на экран монитора.

Для сохранения изображения на экране монитора необходима видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые мониторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной форме. Устройство, называемое дискриминатором, позволяло изменять порог дискриминации - сигналы, интенсивность которых была ниже порога дискриминации, не проходили через него и соответствующие участки экрана оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог дискриминации, представлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависела от абсолютного значения интенсивности отраженного сигнала - все белые точки имели одинаковую яркость. При таком способе представления изображения - он получил название «бистабильный» - хорошо были видны границы органов и структуры с высокой отражающей способностью (например, почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных органов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов, которые позволяли передавать на экране монитора оттенки серого цвета, знаменовало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информацию, которая была недостижима при использовании приборов с бистабильным изображением. Развитие компьютерной техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изображений к цифровым. Цифровые изображения в ультразвуковых установках формируются на больших матрицах (обычно 512 × 512 пикселов) с числом градаций серого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на глубину 20 см на матрице 512 × 512 пикселов один пиксел будет соответствовать линейным размерам в 0,4 мм. На современных приборах имеется тенденция к увеличению размеров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса 12-дюймовый (30 см по диагонали) экран становится обычным явлением.

Электронно-лучевая трубка ультразвукового прибора (дисплей, монитор) использует остро сфокусированный пучок электронов для получения яркого пятна на экране, покрытом специальным фосфором. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно перемещать по экрану.

При А-типе развертки (Amplitude) по одной оси откладывается расстояние от датчика, по другой - интенсивность отраженного сигнала (рис. 27).

Рис. 27. А-тип развертки сигнала.

В современных приборах А-тип развертки практически не используется.

В-тип развертки (Brightness - яркость) позволяет вдоль линии сканирования получить информацию об интенсивности отраженных сигналов в виде различия яркости отдельных точек, составляющих эту линию.

Пример экрана: слева развёртка B , справа - M и кардиограмма.

М-тип (иногда ТМ) развертки (Motion - движение) позволяет регистрировать движение (перемещение) отражающих структур во времени. При этом по вертикали регистрируются перемещения отражающих структур в виде точек различной яркости, а по горизонтали - смещение положения этих точек во времени (рис. 28).

Рис. 28. М-тип развертки.

Для получения двумерного томографического изображения необходимо тем или иным образом произвести перемещение линии сканирования вдоль плоскости сканирования. В приборах медленного сканирования это достигалось перемещением датчика вдоль поверхности тела пациента вручную.

ПРИБОРЫ БЫСТРОГО СКАНИРОВАНИЯ

Приборы быстрого сканирования, или, как их чаще называют, приборы, работающие в реальном времени, в настоящее время полностью заменили приборы медленного, или ручного, сканирования. Это связано с целым рядом преимуществ, которыми обладают эти приборы: возможность оценивать движение органов и структур в реальном времени (т.е. практически в тот же момент времени); резкое уменьшение затрат времени на исследование; возможность проводить исследования через небольшие акустические окна.

Если приборы медленного сканирования можно сравнить с фотоаппаратом (получение неподвижных изображений), то приборы, работающие в реальном времени - с кино, где неподвижные изображения (кадры) с большой частотой сменяют друг друга, создавая впечатление движения.

В приборах быстрого сканирования используются, как уже говорилось выше, механические и электронные секторные датчики, электронные линейные датчики, электронные конвексные (выпуклые) датчики, механические радиальные датчики.

Некоторое время назад на ряде приборов появились трапециевидные датчики, поле зрения которых имело трапециевидную форму, однако, они не показали преимуществ относительно конвексных датчиков, но сами имели целый ряд недостатков.

В настоящее время наилучшим датчиком для исследования органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза является конвексный. Он обладает относительно небольшой контактной поверхностью и очень большим полем зрения в средней и дальней зонах, что упрощает и ускоряет проведение исследования.

При сканировании ультразвуковым лучом результат каждого полного прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количества вертикальных линий (рис. 29).

Рис. 29. Формирование изображения отдельными линиями.

Каждая линия - это как минимум один ультразвуковой импульс. Частота повторения импульсов для получения серошкального изображения в современных приборах составляет 1 кГц (1000 импульсов в секунду).

Существует взаимосвязь между частотой повторения импульсов (ЧПИ), числом линий, формирующих кадр, и количеством кадров в единицу времени: ЧПИ = число линий × частота кадров .

На экране монитора качество получаемого изображения будет определяться, в частности, плотностью линий. Для линейного датчика плотность линий (линий/см) является отношением числа линий, формирующих кадр, к ширине части монитора, на котором формируется изображение.

Для датчика секторного типа плотность линий (линий/градус) - отношение числа линий, формирующих кадр, к углу сектора.

Чем выше частота кадров, установленная в приборе, тем (при заданной частоте повторения импульсов) меньше число линий, формирующих кадр, меньше плотность линий на экране монитора, ниже качество получаемого изображения. Зато при высокой частоте кадров мы имеем хорошее временное разрешение, что очень важно при эхо­кардио­графичес­ких исследованиях.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ДОППЛЕРОГРАФИИ

Ультразвуковой метод исследования позволяет получать не только информацию о структурном состоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах. В основе этой способности лежит эффект Допплера - изменение частоты принимаемого звука при движении относительно среды источника или приемника звука или тела, рассеивающего звук. Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной. Следовательно, если источник звука движется с постоянной скоростью, звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая снижение частоты звука (рис. 30).

Рис. 30. Эффект Допплера.

Путем сопоставления исходной частоты ультразвука с измененной возможно определить долллеровский сдвиг и рассчитать скорость. Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источник ультразука может быть неподвижным (ультразвуковой датчик), а в качестве отражателя ультразвуковых волн могут выступать движущиеся эритроциты. Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука). В том случае, если направление падения ультразвукового луча не параллельно направлению движения отражателя, необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла q между падающим лучом и направлением движения отражателя (рис. 31).

Рис. 31. Угол между падающим лучом и направлением тока крови.

Для получения допплеровской информации применяются два типа устройств - постоянно­волновые и импульсные. В постоянно­волновом допплеровском приборе датчик состоит из двух трансдьюсеров: один из них постоянно излучает ультразвук, другой постоянно принимает отраженные сигналы. Приемник определяет допплеровский сдвиг, который обычно составляет-1/1000 частоты источника ультразвука (слышимый диапазон) и передает сигнал на громкоговорители и, параллельно, на монитор для качественной и количественной оценки кривой. Постоянно­волновые приборы детектируют кровоток почти по всему ходу ультразвукового луча или, другими словами, имеют большой контрольный объем. Это может вызвать получение неадекватной информации при попадании в контрольный объем нескольких сосудов. Однако большой контрольный объем бывает полезен при расчете падения давления при стенозе клапанов сердца.

Для того, чтобы оценить кровоток в какой-либо конкретной области, небходимо разместить контрольный объем в исследуемой области (например, внутри определенного сосуда) под визуальным контролем на экране монитора. Это может быть достигнуто при использовании импульсного прибора. Существует верхний предел допплеровского сдвига, который может быть детектирован импульсными приборами (иногда его называют пределом Найквиста). Он составляет примерно 1/2 частоты повторения импульсов. При его превышении происходит искажение допплеровского спектра (aliasing). Чем выше частота повторения импульсов, тем больший допплеровский сдвиг может быть определен без искажений, однако тем ниже чувствительность прибора к низко­скоростным потокам.

Ввиду того, что ультразвуковые импульсы, направляемые в ткани, содержат большое количество частот помимо основной, а также из-за того, что скорости отдельных участков потока неодинаковы, отраженный импульс состоит из большого количества различных частот (рис. 32).

Рис. 32. График спектра ультразвукового импульса.

С помощью быстрого преобразования Фурье частотный состав импульса может быть представлен в виде спектра, который может быть изображен на экране монитора в виде кривой, где по горизонтали откладываются частоты допплеровского сдвига, а по вертикали - амплитуда каждой составляющей. По допплеровскому спектру возможно определять большое количество скоростных параметров кровотока (максимальная скорость, скорость в конце диастолы, средняя скорость и т.д.), однако эти показатели являются угол­зависимыми и их точность крайне зависит от точности коррекции угла. И если в крупных неизвитых сосудах коррекция угла не вызывает проблем, то в мелких извитых сосудах (сосуды опухоли) определить направление потока достаточно сложно. Для решения этой проблемы был предложен ряд почти угол­независимых индексов, наиболее рас­простра­нен­ными из которых являются индекс резистентности и пульсаторный индекс. Индекс резистентности является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к максимальной скорости потока (рис. 33). Пульсаторный индекс является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к средней скорости потока.

Рис. 33. Расчет индекса резистентности и пульсаторного индекса.

Получение допплеровского спектра с одного контрольного объема позволяет оценивать кровоток в очень небольшом участке. Цветовая визуализация потоков (цветовое допплеровское картирование) позволяет получать двумерную информацию о кровотоках в реальном времени в дополнение к обычной серошкальной двумерной визуализации. Цветовая допплеровская визуализация расширяет возможности импульсного принципа получения изображения. Сигналы, отраженные от неподвижных структур, распознаются и представляются в серошкальном виде. Если отраженный сигнал имеет частоту, отличную от излученного, то это означает, что он отразился от движущегося объекта. В этом случае производится определение допплеровского сдвига, его знак и величина средней скорости. Эти параметры используются для определения цвета, его насыщенности и яркости. Обычно направление потока к датчику кодируется красным, а от датчика - синим цветом. Яркость цвета определяется скоростью потока.

В последние годы появился вариант цветового допплеровского картирования, получивший название «энергетического допплера» (Power Doppler). При энергетическом допплере определяется не значение допплеровского сдвига в отраженном сигнале, а его энергия. Такой подход позволяет повысить чувствительность метода к низким скоростям, сделать его почти угол­независимым, правда, ценой потери возможности определения абсолютного значения скорости и направления потока.

АРТЕФАКТЫ

Артефакт в ультразвуковой диагностике - это появление на изображении несуществующих структур, отсутствие существующих структур, неправильное расположение структур, неправильная яркость структур, неправильные очертания структур, неправильные размеры структур. Реверберация, один из наиболее часто встречающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или более отражающими поверхностями. При этом часть энергии ультразвукового импульса многократно отражается от этих поверхностей, каждый раз частично возвращаясь к датчику через равные промежутки времени (рис. 34).

Рис. 34. Реверберация.

Результатом этого будет появление на экране монитора несуществующих отражающих поверхностей, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удается изменением положения датчика. Вариантом реверберации является артефакт, получивший название «хвост кометы». Он наблюдается в том случае, когда ультразвук вызывает собственные колебания объекта. Этот артефакт часто наблюдается позади мелких пузырьков газа или мелких металлических предметов. Ввиду того, что далеко не всегда весь отраженный сигнал возвращается к датчику (рис. 35), возникает артефакт эффективной отражательной поверхности, которая меньше реальной отражательной поверхности.

Рис. 35. Эффективная отражательная поверхность.

Из-за этого артефакта определяемые с помощью ультразвука размеры конкрементов обычно немного меньше, чем истинные. Преломление может вызывать неправильное положение объекта на полученном изображении (рис. 36).

Рис. 36. Эффективная отражательная поверхность.

В том случае, если путь ультразвука от датчика к отражающей структуре и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображении. Зеркальные артефакты - это появление объекта, находящегоя по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны (рис. 37).

Рис. 37. Зеркальный артефакт.

Зеркальные артефакты часто возникают около диафрагмы.

Артефакт акустической тени (рис. 38) возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами. Механизм образования акустической тени аналогичен формированию оптической.

Рис. 38. Акустическая тень.

Артефакт дистального лсевдоусиления сигнала (рис. 39) возникает позади слабо поглощающих ультразвук структур (жидкостные, жидкостьсодержащие образования).

Рис. 39. Дистальное псевдоусиление эха.

Артефакт боковых теней связан с преломлением и, иногда, интерференцией ультразвуковых волн при падении ультразвукового луча по касательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохождения ультразвука в которой существенно отличается от окружающих тканей (рис. 40).

Рис. 40. Боковые тени.

Артефакты, связанные с неправильным определением скорости ультразвука, возникают из-за того, что реальная скорость распространения ультразвука в той или иной ткани больше или меньше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запрограммирован прибор (рис. 41).

Рис. 41. Искажения из-за различия в скорости проведения ультразвука (V1 и V2) различными средами.

Артефакты толщины ультразвукового луча - это появление, главным образом в жидкостьсодержащих органах, пристеночных отражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может одновременно формировать изображение органа и изображение рядом расположенных структур (рис. 42).

Рис. 42. Артефакт толщины ультразвукового луча.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Контроль качества ультразвукового оборудования включает в себя определение относительной чувствительности системы, осевой и боковой разрешающей способностей, мертвой зоны, правильности работы измерителя расстояния, точности регистрации, правильности работы ВАРУ, определение динамического диапазона серой шкалы и т.д. Для контроля качества работы ультразвуковых приборов используются специальные тест-объекты или тканево-эквивалентные фантомы (рис. 43). Они являются коммерчески доступными, однако в нашей стране мало распространены, что делает практически невозможным провести поверку ультразвукового диагностического оборудования на местах.

Рис. 43. Тест-объект Американского института ультразвука в медицине.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА И БЕЗОПАСНОСТЬ

Биологическое действие ультразвука и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Знания о биологическом воздействии ультразвука базируются на изучении механизмов воздействия ультразвука, изучении эффекта воздействия ультразвука на клеточные культуры, экспериментальных исследованиях на растениях, животных и, наконец, на эпидемиологических исследованиях.

Ультразвук может вызывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты. Кавитация - это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна. Так вреден ультразвук или нет?

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука в медицине следующее заявление, которое в последний раз было подтверждено в 1993 году:

«Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентов или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением (ультразвуком), интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует».

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Происходит бурное развитие ультразвуковой диагностики, постоянное совершенствование ультразвуковых диагностических приборов. Можно предположить несколько основных направлений будущего развития этого диагностического метода.

Возможно дальнейшее совершенствование допплеровских методик, особенно таких, как энергетический допплер, допплеровская цветовая визуализация тканей.

Трехмерная эхография в будущем может стать весьма важным направлением ультразвуковой диагностики. В настоящий момент существуют несколько коммерчески доступных ультразвуковых диагностических установок, позволяющих проводить трехмерную реконструкцию изображений, однако, пока клиническое значение этого направление остается неясным.

Концепция применения ультразвуковых контрастов была впервые выдвинута R.Gramiak и P.M.Shah в конце шестидесятых при эхокардиографическом исследовании. В настоящее время существует коммерчески доступный контраст «Эховист» (Шеринг), применяемый для визуализации правых отделов сердца. Недавно он был модифицирован с уменьшением размеров частиц контраста и может рециркулировать в кровеносной системе человека («Левовист», Шеринг). Этот препарат существенно улучшает допплеровский сигнал, как спектральный, так и цветовой, что может оказаться существенным для оценки опухолевого кровотока.

Внутриполостная эхография с использованием ультратонких датчиков открывает новые возможности для исследования полых органов и структур. Однако в настоящее время широкое применение этой методики ограничивается высокой стоимостью специализированных датчиков, которые к тому же могут применяться для исследования ограниченное число раз (1÷40).

Компьютерная обработка изображений с целью объективизации получаемой информации является перспективным направлением, которое может в будущем улучшить точность диагностики незначительных структурных изменений в паренхиматозных органах. К сожалению, полученные к настоящему времени результаты существенного клинического значения не имеют.

Тем не менее то, что еще вчера казалось в ультразвуковой диагностике далеким будущим, стало сегодня обычной рутинной практикой и, вероятно, в ближайшее время мы станем свидетелями внедрения новых ультразвуковых диагностических методик в клиническую практику.