Ультразвуковые методы исследования и их применение в медицине

                Ультразвуковые методы исследования и их применение в медицине.

Ультразвук - упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 18 000 герц. 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 физических и технологических методах. По скорости распространения звука в среде судят о ее физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Если плотность, структура  и температура одинаковы по всей среде, то такая среда называется гомогенной. В гомогенной среде волны  распространяются линейно. Различные  среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важен акустический импеданс. Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны. Скорость распространения ультразвуковой волны в тканях практически постоянна, поэтому в эхокардиографии акустический импеданс — лишь функция плотности той или иной ткани. Разные ткани: миокард, перикард, кровь, створки клапанов и т. д. — имеют разную плотность. Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект «раздела фаз» [interface]. Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее. При этом: 1) угол падения равен углу отражения; 2) из-за различий акустических импедансов сред угол преломления не равен углу падения.

Соотношение между углом  падения (отражения) и углом преломления  описывается формулой: n₁/n₂ = sin q₂/sin q₁, где n — акустический импеданс, t — угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз.

Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн. Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами: 1) разностью акустического импеданса сред — чем больше эта разность, тем больше отражение; 2) углом падения — чем ближе он к 90°, тем больше отражение; 3) соотношением размеров объекта и длины волны — размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны).

 

                                                              -1-

 

Пространственная разрешающая  способность метода [resolution] определяет расстояние между двумя объектами, при котором их еще можно различить. Например, частота 2,0 МГц дает разрешающую способность в 1 мм. Однако, чем выше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука (глубина проникновения): тем легче происходит его затухание [attenuation]. Таким образом, важно найти оптимальную частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности. В табл. 1 приведены значения «половинного затухания» для разных сред, т. е. расстояния, на которых ультразвуковые волны с частотой 2,0 МГц теряют половину своей энергии.  

                                          

Структуры, в которых  происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые  ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень [shadowing]; при исследовании сердца такой эффект дают кальцинированные структуры и протезированные клапаны сердца.

 

                     Источники ультразвука.

Ультразвук - упругие  колебания с частотами выше диапазона  слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в виде волны в газах, жидкостях и твердых телах или образующие в ограниченных областях этих сред стоячие волны.

Источники ультразвука - все виды ультразвукового технологического оборудования, ультразвуковые приборы  и аппаратура промышленного и медицинского назначения.

Воздушный ультразвук - ультразвуковые колебания в воздушной среде.

Уровень звукового давления - выраженное в логарифмических единицах отношение среднего квадратического  значения звукового давления в определенной полосе частот к стандартизованному исходному значению звукового давления.

Предельно допустимый уровень ультразвука - уровень, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 ч в неделю в течение всего рабочего стажа не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Соблюдение ПДУ ультразвука не исключает нарушения здоровья у сверхчувствительных лиц.

 

 

                                                       

 

                                                                -2-

 

 

 

Вредное воздействие  ультразвука на организм человека проявляется  в функциональном нарушении нервной  системы, изменении давления, состава и свойства крови. Работающие жалуются на головные боли, быструю утомляемость и потерю слуховой чувствительности.

При разработке нового и  модернизации существующего оборудования, приборов и аппаратуры должны предусматриваться  меры по максимальному ограничению ультразвука как в источнике возникновения, так и по пути распространения.

Запрещается непосредственный контакт человека с рабочей поверхностью источника ультразвука и с  контактной средой во время возбуждения  в ней ультразвука.

Ультразвуковые искатели и датчики, удерживаемые руками оператора, должны иметь форму, обеспечивающую минимальное напряжение мышц, удобное для работы расположение и соответствовать требованиям технической эстетики. Должна быть исключена возможность контактной передачи ультразвука другим частям тела, кроме рук.

Для защиты персонала, обслуживающего источники ультразвука, следует  применять дистанционное управление; блокировки, обеспечивающие автоматическое отключение источника ультразвука  в случае открытия звукоизолирующих устройств или проведения вспомогательных работ; приспособления для удержания источника ультразвука или предметов, которые могут служить в качестве твердой контактной среды.

Для защиты рук от неблагоприятного воздействия контактного ультразвука  в твердых и жидких средах, а также от контактных смазок необходимо применять нарукавники, рукавицы или перчатки (наружные резиновые и внутренние хлопчатобумажные).

При работе с источниками  ультразвука должны соблюдаться  требования Правил техники безопасности, установленные в эксплуатационной документации на оборудование и средства измерения.

К работе с источниками  ультразвука допускаются лица не моложе 18 лет, имеющие соответствующую  квалификацию, прошедшие обучение и  инструктаж по технике безопасности.

При систематической работе с контактным ультразвуком в течение более 50% рабочего времени необходимо устраивать перерывы через каждые 1,5 ч на 15 мин.

Перерывы могут быть заполнены другими видами работ, которые не сопровождаются воздействием на организм повышенных уровней шума и вибрации.

Организация технологических  процессов при работе на ультразвуковых установках с применением химических веществ должна исключать возможность  контакта работающих с вредными веществами.

Контроль нормируемых  параметров ультразвука на рабочих местах должен проводиться не реже одного раза в год.

 

                                                                -3-

С целью предупреждения и ранней диагностики профессиональных заболеваний у работающих с контактным ультразвуком необходимо проводить предварительные (при приеме на работу) и периодические медицинские осмотры в соответствии с действующими приказами Минздрава.

 

Для коллективной защиты от воздействия повышенных уровней  ультразвука можно использовать следующие направления: уменьшение вредного излучения ультразвуковой энергии в источнике ее возникновения; локализацию действия ультразвука конструктивными и планировочными решениями; проведение организационно-профилактических мероприятий.

 

Для локализации ультразвука  обязательным является применение звукоизолирующих кожухов, полукожухов, экранов.

 

Если эти меры не дают положительного эффекта, то ультразвуковые установки нужно размещать в  отдельных помещениях и кабинах, облицованных звукопоглощающими материалами.

 

Организационно-профилактические мероприятия заключаются в проведении инструктажа работающих и установлении рациональных режимов труда и отдыха. В качестве средств индивидуальной защиты применяются противошумы (ГОСТ 12.4.051 - 87).

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)

Давно известно, что ультразвуковое излучение можно сделать узконаправленным. Французский физик Поль Ланжевен впервые заметил повреждающее действие ультразвукового излучения на живые  организмы. Результаты его наблюдений, а также сведения о том, что  ультразвуковые волны могут проникать сквозь мягкие ткани человеческого организма, привели к тому, что с начала 1930-х гг. возник большой интерес к проблеме применения ультразвука для терапии различных заболеваний.

Этот интерес не ослабевал и  в дальнейшем, причем развитие медицинских приложений шло по самым различным направлениям особенно широко ультразвук стал применяться в физиотерапии. Тем не менее, лишь сравнительно недавно стал намечаться истинно научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии ультразвукового излучения с биологической средой. 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.

                                                                  -4-

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.

Прием и измерение  ультразвука В медицинских или  биологических приложениях необходимость  в приеме и измерении ультразвука  возникает в трех обширных областях. Это получение диагностической информации от пациента, измерение акустических полей, которыми могут облучаться живые клетки и ткани, в том числе и ткани пациентов. Ультразвук по определению не воспринимается непосредствен-но органами чувств человека, и поэтому необходимо использовать какой-то физический эффект или последовате-льность таких эффектов, чтобы действие ультразвука могло проявиться, причем главным образом количественно. Таким образом, выбор метода для конкретной задачи производится сточки зрения удобства его применения, а также точности измерения интересующего параметра акустического поля. Эхо-имульсивные методы визуализации и измерений Методы ультразвуковой эхо-импульсной визуализации уже нашли широкое и разнообразное применение в медицине. Основным элементом любой системы визуализации является электроакустический преобразователь, который служит для излучения зондирующего акустического импульса в объект и для приема акустических эхо-сигналов, переизлучаемых мишенью. Приемник представляет собой своего рода систему сопряжения между преобразователем и дисплеем или системой записи, которые применяются для передачи наблюдателю информации, полученной с помощью ультразвука. В хороших системах эхо-сигналы на выходе преобразователя имеют большой динамический диапазон. Области применения эхо-импульсных методов Эхо-импульсные методы в настоящее время стали широко применятся во многих областях медицины. АКУШЕРСТВО 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. С развитием техники, обеспечивающее высокое расширение по контрасту, эта процедура стала уже рутинной. 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.