Ультразвук, физические основы применения в медицине

Ультразвук, физические основы применения в медицине

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО КГМУ МИНЗДРАВА

РОССИИ)

КАФЕДРА ФИЗИКИ, ИНФОРМАТИКИ И МАТЕМАТИКИ

Самостоятельная работа по дисциплине «Физика»

ТЕМА : «Ультразвук, физические основы применения в медицине»

Выполнил: Студент 1 группы 1 курса

Шомротов Нусратулло Нуруллоевич

Проверил:

Кузько Андрей Евгеньевич

Курск, 2014

План

Введение

Физика ультразвука

Применение ультразвука в медицине

Заключение

Список литературы

Введение

В современной физиотерапии широко используется достижения биофизики, радиоэлектроники, химии, физиологии и клинических методов исследования. Одной из быстро развивающихся ее областей, является лечебное применение ультразвука. Ультразвук в настоящее время находит широкое применение во всех сферах деятельности человека, включая медицину и экологию.

Биологическое действие ультразвуковых волн связывают с явлением кавитации, возникающим в жидких средах при распространении в ультразвука.

Положительные результаты дали опыты по стерилизации питьевой воды. Производились удачные попытки стерилизации пищевых продуктов (например, при изготовлении консервов).

За последнее время ультразвук с успехом начинают применять в

медицинской практике для лечения и диагностики различных болезней.

Такое лечение оказывает эффективное действие при целом ряде заболеваний. Особенно хорошо ультразвук действует при заболеваниях периферической нервной системы (при воспалении седалищного и тройничного нервов, невралгии и т. д.). Болевые ощущения исчезают после первых же сеансов, а через некоторое время наступает полное излечение. В настоящее время еще достаточно полно не выяснен лечебный эффект ультразвука, но уже установлено, что на ткани человека он оказывает механическое, химическое и тепловое действие. Проявляется это в резкой вибрации тканей и химических реакций, которые развиваются в результате молекулярной и коллоидно-химической перестройки. При сравнительно небольших интенсивностях ультразвуковые колебания вызывают очень интенсивное «встряхивание» тканей и являются эффективной формой «микромассажа».

На протяжении ряда десятилетий широкое применение в медицинской диагностике находят методы ультразвуковой эхолокации для наблюдения в реальном режиме времени практически за всеми внутренними органами человека, что позволяет обнаружить деструктивные изменения на ранних стадиях развития болезней.

Ультразвуковые датчики (давление, скорость движения, расход и т. п.)

находят применение и в решении задач мониторинга окружающей среды.

Такой широкий спектр применения ультразвука в экологии и медицине требует обязательного изучения физических основ ультразвуковой техники и перспективных направлений ее практического применения.

Физические основы

Ультразвук - это упругие колебания, частота которых превышает 20КГц , распространяющиеся в форме продольных волн в различных средах.

Ультразвук как и другие волны имеет свои свойства:

Амплитуда - максимальное смещения, колеблющихся частиц среды с частотой данного ультразвука от положения равновесия ( измеряется в метрах.

Длина волны (λ,метр) - расстояние <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5> между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F> происходят в одинаковой фазе <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D0%B0_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B9> (длина УВ значительно меньше).

Скорость (ϑ,м/с ) - распространение ультразвуковых волн примерно равна скорости звука(450м/c).

Частота (υ,Герц) -число полных колебаний , совершаемых в единицу времени ( более 20КГц).

υ=С λ

Интенсивность (J,дж/( - энергия звуковых волн (W), проходящая через единицу поверхности (S) в единицу времени (t).

=W/(St)

Каждый исследуемый объект имеет характер - волновое сопротивление (ω,Н). ВС равно произведению плотности среды на скорость звука в ней.

ω=ρϑ

Ультразвука можно получить разными способами:

Явление магнитострикции - изменение размера объекта в магнитном поле.

Явление обратного пьезоэлектрического эффекта - изменение формы объекта в электрическом поле.

В медицинской аппаратуре используется пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических (кварц <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%80%D1%86>, титанат бария <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D1%82_%D0%B1%D0%B0%D1%80%D0%B8%D1%8F>) под воздействием ультразвуковых соединений волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды - прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть по переменно то приёмником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.

Ультразвук <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA> распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BE%D0%B4_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F> - временем, за которое молекула (частица) совершает одно полное колебание; частотой <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B0> - числом колебаний в единицу времени; длиной <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B> - расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8C_%D1%83%D0%BF%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8> и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её частоте. Чем меньше длина волн, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 10 <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%B2%D0%BA%D0%B8_%D0%A1%D0%98>Гц <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%86>. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов достигает 1-3 мм.

Достигнув границы двух сред с различным акустическим сопротивлением, пучок ультразвуковых волн претерпевает существенные изменения: одна его часть продолжает распространяться в новой среде, в той или иной степени поглощаясь <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B3%D0%BB%D0%BE%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F> ею, другая - отражается <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_(%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0)>. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления граничащих друг с другом тканей: чем это различие больше, тем больше отражение и, естественно, больше амплитуда зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Полным отражателем является граница между тканями и воздухом.

В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Допплера <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%94%D0%BE%D0%BF%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%B0>) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>, а также разницу в плотностях, образующих границу.

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0>. 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 <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82> 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 пациента 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.

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%94%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%B0>. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F>, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя.

Применение ультразвука

С применением ультразвука в медицине связано множество разных аспектов. Однако, при этом физика явления должна включать следующие процессы: распространение ультразвука в «биологической среде», такой как тело человека, взаимодействие ультразвука с компонентами этой среды и измерения и регистрация акустического излучения, как падающего на объект, так и возникающего в результате взаимодействия с ними.

Проблема интерпретации взаимодействия акустического излучения с

биологической средой существенно упрощается, если последнюю рассматривать не как твердое тело, а как жидкость. В такой среде нет сдвиговых волн, поэтому теория распространения волн проще, чем для твердого тела. В диапазоне ультразвуковых частот, применяемых в медицинской акустике, это предположение справедливо почти для всех тканей тела, хотя имеются и исключения, например кость. То, что взаимодействие ультразвука с тканью можно смоделировать его взаимодействием с жидкостями, - важный фактор, повышающий практическую ценность медицинской ультразвуковой диагностики.

Медицинские области применение ультразвуковых исследовании :

АКУШЕРСТВО ультразвук медицина пьезоэлектрический

Акушерство - та область медицины, где эхо-импульсивные ультразвуковые методы наиболее прочно укоренились как составная часть медицинской практики. Рассматриваемые здесь четыре основных задачи иллюстрируют ценность многих полезных свойств ультразвуковых методов.

Надежное определение положения плаценты - задача первостепенной важности в акушерской практике. Приборы, работающие в реальном времени, эргономически более выгодны, так как позволяют определять положения плаценты быстрее, чем статические сканеры.

Второй вид процедур, ставших уже привычными, - оценка развития плода по измерению одного или более его размеров, таких как диаметр головки, окружность головки, площадь грудной клетки или живота. Так как даже очень малые изменения этих размеров могут иметь диагностическое значение, эти методы требуют высокой точности самой аппаратуры и методик ее применения.

Третий вид процедур, появившийся не так давно и не столь еще укоренившийся в практике, - раннее обнаружение аномалий плода. Это приложение требует особенно хорошего пространственного разрешения и разрешения по контрасту, предпочтительно в сочетании с режимом реального времени и быстрым сканированием. Хорошие методики и качественная аппаратура позволяют обнаруживать такие дефекты, как недоразвитие (гибель) яйца, анэнцефалия (полное или почти полное отсутствие мозга), гидроцефалия (избыток жидкости в мозге, наблюдаемый в виде уширения желудочков), спинальные (позвоночные) дефекты, зачастую не обнаружимые биохимическими методами, и дефекты желудочно-кишечного тракта. Вспомогательную, но очень важную роль играет ультразвук в процедуре амниоцентеза (пункции плодного пузыря) - взятии околоплодных вод для цитологических исследований и выявления возможных генетических нарушений. Ввод иглы при амниоцентезе под контролем ультразвуковой визуализации, обеспечивает значительно большую безопасность этой процедуры.

Наконец, необходимо отметить ультразвуковое исследование движения плода. Это явление лишь недавно стало предметом подробного исследования. Сейчас происходит накопление большого количества информации как по движению конечностей плода и псевдодыханию, так и по динамике сердца и сосудов. Здесь основной интерес представляет исследования физиологии и развития плода; до обнаружения аномалий плода пока еще далеко.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ

Под таким заголовком можно рассмотреть множество разнообразных задач, в основном связанных с исследованием брюшной полости, где ультразвук используется для обнаружения и распознавания аномалий анатомических структур и тканей. Зачастую задача такова: есть подозрение на злокачественное образование и необходимо отличить его от доброкачественных или инфекционных по своей природе образований. При исследовании печени кроме важной задачи обнаружения вторичных злокачественных образований ультразвук полезен для решения других задач, включая обнаружение заболеваний и непроходимости желчных протоков, исследования желчного пузыря с целью обнаружения камней и других патологий, исследование цирроза и других доброкачественных диффузных заболеваний печени, а также паразитарных заболеваний, таких как шистосоматоз. Почки - еще один орган, в котором необходимо исследовать различные злокачественные и доброкачественные состояния (включая жизнеспособность после трансплантации) с помощью ультразвука. Гинекологические исследования, в том числе исследования матки и яичников, в течение долгого времени являются главным направлением успешного применения ультразвука. Здесь зачастую также необходима дифференциация злокачественных и доброкачественных образований, что обычно требует наилучшего пространственного и контрастного разрешения. Аналогичные заключения применимы и к исследованию многих других внутренних органов и областей. Возрастает интерес к применению ультразвуковых эндоскопических зондов. Эти устройства, которые можно вводить в естественные полости тела при обследовании или применять при хирургическом вмешательстве, позволяют улучшить качество изображения из-за более высокой рабочей частоты и/или отсутствия на пути ультразвука таких неблагоприятных акустических сред, как газ или кость.

ПРИПОВЕРХНОСНЫЕ И НАРУЖНЫЕ ОРГАНЫ

Щитовидная и молочная железы, хотя и легко доступны ультразвуковому обследованию, часто требуют использования водяного и ионного буфера, чтобы на изображение не повлияли аномалии ближней зоны поля. При исследовании щитовидной и паращитовидной железе основное применение ультразвука - различение кистозных и твердых образований, что возможно при хорошем подавлении шума и артефактов, вызванных реверберацией и боковыми лепестками излучения. Захватывающая перспектива - скрининг для выявления самых разных признаков рака молочной железы при отсутствии выраженных симптомов, особенно у женщин с аномально высоким фактором риска. Технически здесь необходимо обнаружить аномалию размеров около 2мм в диаметре, когда эта аномалия относительно редко встречается в заданной группе, например, будет только у одной пациентке. Методы визуализации молочной и щитовидной желез, часто использующие акустическую задержку распространения, применимы также к обследованию других приповерхностных тканей, например, при измерении толщины кожи, необходимо в радиационной терапии для облучения электронами, при обследовании приповерхностных кровеносных сосудов, таких как сонная артерия, а также при исследовании реакции опухолей на терапевтические воздействия.

КАРДИОЛОГИЯ

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.

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

НАГРЕВ

Распределение температуры в тканях млекопитающих при ультразвуковом нагреве, уже подробно обсуждались. Управляемый нагрев глубоко расположенных тканей может дать продолжительный терапевтический эффект в ряде случаев. Высокий коэффициент поглощения ультразвука в тканях с большими молекулами обусловливает заметное нагревание коллагенсодержащих тканей, на которые чаще всего и воздействуют ультразвуком при физиотерапевтических процедурах. Увеличение растяжимости коллагенсодержащих тканей

Основной фактор, который часто препятствует восстановлению мягкой

ткани после ее повреждения, - это контрактура, возникающая в результате

повреждения и ограничивающая нормальное движение. Слабое прогревание

ткани может повысить ее эластичность . при дополнительном прогревании во

время растягивающих упражнений улучшается гибкость коллагенсодержащих структур. Ультразвуковой нагрев приводит к увеличению растяжимости сухожилий. Рубцовая ткань также может стать более эластичной под воздействием ультразвука.

Заключение

Перечисленные примеры не исчерпают всех медико - биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений поистине огромна. Так, можно ожидать, например, появление принципиально новых методов с внедрением в медицину ультразвуковой голографии.

В последние годы возможности ультразвуковой терапии значительно расширились, появились новые области лечебного применения ультразвука:

Введения в организм больного лекарственных веществ с помощью ультразвуковых колебаний - фонофорез.

“Сваривания” поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвук - ультразвуковой остиосинтез.

Применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью прибора “Ориентир” можно обнаружить предметы и определить их характер на расстоянии до 10м.

Список литературы

Сперанский А. П. и Рокитянский В.И. Ультразвук и его применение.М.,1970.

Ремизов А. Н. и др. Медицинская и биологическая физика: учебное пособие для студентов мед. вузов./А.Н. Ремизов, А.Я. Максина, А.Я.Потапенко.-9-е изд., стер.- М.: Дрофа, 2010.-558,[2] с.: ил. Гриф МО РФ.

Гафиятуллина Г. Ш. и др. Физиотерапия М. : ГЭОТАР-Медиа,2010.

Хорбенко. Звук, ультразвук, инфразвук. Издательство «Знание» М.,1978.