Введение

    Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее  время более широкий смысл, чем  просто обозначение высокочастотной  части спектра акустических волн. С ним связаны целые области  современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной  техники, медицины и биологии.

     Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надежных средств излучения и приема акустических волн, с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой -позволивших продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых   волн   в   область   гиперзвуковых   частот.

     Медицина и медицинская техника переживают сложнейший период своего существования, как в развитии современного оборудования, так и в обеспечении им научных и лечебно-профилактических учреждений. Внедрение современных методов диагностики, и в первую очередь ультразвуковых методов, позволило во многом облегчить диагностику заболеваний сердца, сосудов, внутренних органов и множество других болезней.

     В  данной работе изложены материалы, которые позволяют не только ориентироваться в разнообразии ультразвуковой диагностики, но и иметь представление о его применении в различных физических и технологических методах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Применение ультразвука в терапии и хирургии

    Давно известно, что ультразвук, действуя на ткани, вызывает в них биологические  изменения. Интерес к изучению этой проблемы обусловлен, с одной стороны, естественным опасением, связанным  с возможным риском применения ультразвуковых диагностических систем для визуализации, а с другой -возможностью вызвать  изменения в тканях для достижения терапевтического эффекта [1].

     Терапевтический ультразвук может быть условно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука низких интенсивностей - не повреждающей нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях [1].

      Первое направление включает в себя большинство применений ультразвука в физиотерапии и некоторые виды терапии рака, второе - ультразвуковую хирургию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Применение ультразвука в физиотерапии

        Одно из наиболее распространенных применений ультразвука  в физиотерапии - это ускорение  регенерации тканей и заживления ран. Также ультразвук применяется  для лечения трофических язв [2].

     При облучении хронических варикозных язв на ногах ультразвуком частотой          3 МГц и интенсивностью 1 Вт/см² в импульсном режиме 2 мс: 8 мс были получены следующие результаты: после 12 сеансов лечения средняя площадь язв составляла примерно 66,4% от их первоначальной площади, в то время как площадь контрольных язв уменьшилась всего до 91,6%. Ультразвук может также способствовать приживлению пересаженных лоскутов кожи на края трофических язв.

     Ультразвук может ускорить рассасывание отеков, вызванных повреждениями мягких тканей, что скорее всего обусловлено увеличением кровотока или местными изменениями в тканях под действием акустических микропотоков [2]. Ультразвуковое излучение положительно влияет на заживления переломов.

     При экспериментальном исследовании переломов малой берцовой кости у крыс было обнаружено, что ультразвуковое облучение во время воспалительной и ранней пролиферативной фаз ускоряет и улучшает выздоровление. Костная мозоль у таких животных содержала больше костной ткани и меньше хрящей. Однако в поздней пролиферативной фазе приводило к негативным эффектам - усиливался рост хрящей и задерживалось образование костной ткани. 
 
 
 
 
 
 
 

3  Применение ультразвука  в офтальмологии

     Может быть, из-за относительно малых размеров глаза офтальмология несколько выделилась из прочих областей применения ультразвука.

    Ультразвук особенно удобен для точного определения размеров глаза, а также для исследования патологии и аномалий структур глаза в случае их непрозрачности и, следовательно, недоступности для обычного оптического исследования. Здесь также важна точность работы и калибровки аппаратуры, необходимо также уделить особое внимание эффектам, связанным  с преломлением ультразвука в хрусталике и роговице.

     Область позади глаза – орбита – доступна ультразвуковому обследованию через глаз, поэтому ультразвук вместе с компьютерной томографией стал одним из основных методов неинвазивного исследования патологий этой области.  Структуры орбиты имеют малые размеры и требуют хорошего пространственного разрешения и разрешения по контрасту, что достижимо на высоких частотах. Практические сложности могут возникать, однако, если пытаться использовать аппаратуру, характеристики которой заимствованы из телевизионной техники, а полоса пропускания соответственно ограничена [2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Применение ультразвука  в кардиологии  и неврологии

         Ультразвуковые методы широко применяются при обследовании сердца и прилегающих магистральных  сосудов. Это связано, в частности, с возможностью быстрого получения  пространственной информации, а также  возможностью ее объединения с томографической  визуализацией.

     Так, для обнаружения и распознавания аномалий движения клапанов сердца, в частности митрального, очень широко используется М-режим. При этом важно регистрировать движение клапанов вплоть до частот порядка 50Гц и, следовательно, с частотой повторения около 100Гц. Эта цифра, оставаясь значительно ниже упомянутого выше придела для эхо-импульсных приборов (около 5кГц), в сущности, недостижима при любых других методах исследования [1].

     До появления рентгеновской компьютерной томографии мозг было особенно сложно исследовать.

     Начиная с 1951г., в Лондонском королевском онкологическом госпитале предпринимались значительные усилия для применения ультразвука к этой задаче. К сожалению, этому мешают физические свойства черепа взрослого человека, поскольку череп представляет собой сильно поглощающую трехслойною структуру переменной толщины. Хотя было сделано несколько интересных попыток преодолеть эти трудности, в том числе с использованием управляемых многоэлементных решеток, когда датчик прилегает к ограниченной области черепа, а также с частичной автоматической компенсацией фазовой задержки для учета изменений толщины черепа, такое применение не встретило одобрения диагностов. Однако еще не затвердевший череп плода или новорожденного в акустическом плане не представляет значительных преград, связанных с возникновением затухания или преломления, и поэтому ультразвуковое обследование здесь применяется все чаще [3]. 
 
 
 
 

5. Применение ультразвука в биологии

     Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями (аналитическая цитология).

      Другое  применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) в том, что с ним чрезвычайно легко работать [3].

6.  Применение ультразвука  для диагностики

     Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании больного необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

     Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц [4].

     Генератором ультразвуковых волн является пьезодатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.

     В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.

     Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа. Для щитовидной железы используются конвексные трансдюсоры на 7,5 МГц, для исследования почек и печени в равной степени пригодны как линейные, так и конвексные датчики [4].

     Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдюсора на поверхности тела.    Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям.

     Конвексный датчик имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие.

     Секторный датчик имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки [4]. 

Рис. 1.1. - Виды ультразвукового сканирования (схема):

 а  - линейное (параллельное);

 б  - конвексное;

 в  - секторное.

      Отраженные эхосигналы поступают  в усилитель и специальные  системы реконструкции, после  чего появляются на экране  телевизионного монитора в виде  изображения срезов тела, имеющие  различные оттенки черно-белого  цвета.  Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная – черным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение.

       Выбор позитивной или негативной  регистрации не имеет значения. Полученное изображение фиксируется  на экране монитора, а затем  регистрируется с помощью термопринтера.

       Первая попытка изготовить фонограммы  человеческого тела относится  к 1942 году. Немецкий ученый Дуссиле  "освещал" ультразвуковым пучком  человеческое тело и затем  измерял интенсивность пучка,  прошедшего через тело (методика  работы с рентгеновскими лучами  Мюльхаузера). Вначале 50-х годов  американские ученые Уилд и  Хаури впервые и довольно успешно  применили ультразвук в клинических  условиях. Свои исследования они  сосредоточили на мозге, так  как диагностика с помощью  рентгеновских лучей не только  сложна, но и опасна. Применение  ультразвука для диагноза при  серьезных повреждениях головы  позволяет хирургу точно определить  места кровоизлияний.