Ультразвук и его применение в медицине.

ЛЕКЦИЯ № 2. БИОАКУСТИКА.

УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЗВУКОВЫХ ВОЛН.

 

Акустика является разделом физики, который изучает звук: его происхождение, распространение и взаимодействие с веществом.

Физическая природа звука хорошо изучена. Это продольная механическая волна, которая распространяется в упругой среде. Рис. 1 иллюстрирует образование звука в среде поршнем, который колеблется в цилиндре взад и вперед с некоторой частотой. Когда поршень перемещается внутрь, он сжимает среду и вызывает волновые перемещения сжатий. Когда поршень перемещает назад, возникает зона пониженного давления (разрежение), которая распространяется в среде.

 

Рис. 1. Колеблющийся поршень образует продольную механическую волну.

 

Таким образом, продольная волна распространяется посредством колебания частиц возле их положения равновесия в направлении распространения волны. При этом не происходит переноса вещества, а передается энергия от одной колеблющейся частицы среды другой.

Внутреннее трение, или вязкость среды, в которой распространяется звук, способствует рассеянию некоторой части энергии, и он с расстоянием затухает. Количество энергии, проходящей за одну секунду через один квадратный метр поверхности, перпендикулярной направлению волнового процесса, называется интенсивностью волны. Единица измерения интенсивности волны - Ватт/м².

Скорость звука зависит от степени сжатия и плотности среды. Звук распространяется в твердых веществах и жидкостях быстрее, чем в газах. Например, скорость звука в воздухе около 344 м/с, а в воде - 1430 м/с. Скорость звука в металлах имеет еще большие значения (например, 6100 м/с в стали). Средняя скорость звука в тканях тела человека составляет 1570 м/с.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗВУКОВ

Различают следующие виды звука:

- простой (или музыкальный) тон – звуковая волна одной определённой частоты. Такой звук представляет собой гармоническое колебание. Источниками простого тона является камертон, генератор звуковых колебаний.

- сложный тон – звук, который характеризуется основным тоном и набором обертонов. Основной тон имеет самую низкую частоту, а обертоны – частоты, кратные частоте основного тона. Такой звук представляет собой негармоническое колебание. С помощью спектрального анализа его можно разложить на несколько гармонических колебаний. Таким образом, получают акустический спектр сложного тона – диаграмму, отражающую частоты основного тона и обертонов и соответствующие им интенсивности. Примерами сложного тона является звучание ноты музыкальных инструментов, гласные звуки человеческой речи.

- шум – звук, в состав которого включены механические волны звукового частотного диапазона, не связанные определённой временной зависимостью. Акустический спектр шума сплошной, т.е. в нём невозможно выделить отдельные частоты и соответствующие им интенсивности. Согласные звуки речи – шум.

Отдельно выделяют звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие (хлопок, звук взрыва, аплодисменты).

ОБЛАСТЬ СЛЫШИМОСТИ.

Область слышимости, или область слуховых ощущений – это диапазон частот и интенсивностей упругих механических продольных волн, которые могут вызвать слуховые ощущения у человека.

Такие волны являются слышимыми, если их частота составляет от 16 Гц до 20000 Гц. Если частота волн составляет менее 16 Гц, их называют инфразвуком, а более 20000 Гц – ультразвуком.

Минимальная интенсивность звуковой волны, при которой возникает слуховое ощущение, называется порогом слышимости, или порогом слухового ощущения.

Ограничивает область слышимости по интенсивности болевой порог – минимальная интенсивность звуковой волны, которая вызывает болевые ощущения.

Инфразвук и ультразвук неслышимы при любых интенсивностях.

 

ПОНЯТИЕ ПРО АУДИОМЕТРИЮ.

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 – частота волн, воспринимаемых приемником, – частота волн, испускаемых источником, – скорость волны, – скорость движения приемника волн, – 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 , после чего регистрируют эхосигналы, отражённые от подвижных элементов (главным образом, от эритроцитов крови) и имеющие вследствие эффекта Доплера частоту .

Доплеровский эффект наблюдается дважды:

- сначала датчик является источником волн частотой , а эритроцит – приёмником. Вследствие движения эритроцит воспримет волну частотой .

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

Диагностическим признаком является разность , 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

ЛЕКЦИЯ № 2. БИОАКУСТИКА.

УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ.