Практичне заняття №2
Мета:
Знати: фізичні принципи звукових методів діагностики і застосування ультразвуку в медицині; звукові методи діагностики: аускультація, пневмотахографія, респіросонографія, перкусія, фонокардіографія і ін.;
способи отримання ультразвуку, будову УЗ генератора;
особливості поширення УЗ хвиль в біологічних середовищах і застосування УЗ в медицині;
галузі використання ультразвуку в діагностиці, терапії, хірургії, фармакології, фізіотерапії і т.ін.
Вміти: користуватись фонендоскопом; пояснити природу і основні властивості УЗ;
пояснити призначення окремих блоків УЗ установок;
пояснити механізм біологічної дії ультразвуку й інфразвуку.
Теоретичні питання:
- Фізичні основи звукових методів діагностики.
- Випромінювачі і приймачі УЗ.
- Особливості поширення ультразвукової хвилі: мала довжина хвилі, направленість, поглинання заломлення, відбивання.
- Взаємодія УЗ з речовиною: деформація, кавітація, виділення тепла, хімічні реакції.
- Використання УЗ в медицині: терапії, хірургії, діагностиці, фармакології, фізіотерапії.
- Ефект Допплера и його застосування для неінвазивного вимірювання швидкості кровотоку.
- Інфразвук і його вплив на живі організми.
Література: Л.Ф. Ємчик, Я.М. Кміт Медична і біологічна фізика. – Л.: Світ, 2003. Розділ 2. §§2.1 – 2.11. Стор.49–90.
Короткі теоретичні відомості.
Звук може бути і джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини. Поширений звуковий метод діагностики захворювань - аускультація (вислуховування) – відомий ще з II ст. до н. е. Для аускультації використовують стетоскоп або фонендоскоп. Фонендоскоп (рис. 6.5) складається з порожнистої капсули 1 з мембраною 2, яка передає звук і прикладається до тіла хворого, від неї йдуть гумові трубки 3 до вуха лікаря. В порожнистої капсулі виникає резонанс стовпа повітря, внаслідок чого посилюється звучання і поліпшується аускультація. При аускультації легень вислуховують дихальні шуми, різні хрипи, характерні для захворювань. По зміні тонів серця і появі шумів можна судити про стан серцевої діяльності. Використовуючи аускультацію, можна встановити наявність перистальтики шлунка і кишечника, прослухати серцебиття плода. Для одночасного вислуховування хворого декількома дослідниками з навчальною метою або при консиліумі використовують систему, до якої входять мікрофон, підсилювач і гучномовець або кілька телефонів. Для діагностики стану серцевої діяльності застосовується метод, подібний аускультації і названий фонокардіографією (ФКГ). Цей метод полягає в графічній реєстрації тонів і шумів серця та їх діагностичної інтерпретації. Запис фонокардіограми роблять за допомогою фонокардіографа, що складається з мікрофона, підсилювача, системи частотних фільтрів і реєструючого пристрою. Принципові відмінності від двох викладених вище звукових методів має перкусія. В цьому методі вислуховують звучання окремих частин тіла при простукуванні їх. Уявімо замкнуту порожнину усередині якого-небудь тіла, заповнену повітрям. Якщо викликати в цьому тілі звукові коливання, то при певній частоті звуку повітря в порожнині почне резонувати, виділяючи і посилюючи тон, відповідний розміру і положенню порожнини. Схематично тіло людини можна представити як сукупність газонаповнених (легені), рідких (внутрішні органи) і твердих (кістка) об'ємів. При ударі по поверхні тіла виникають коливання, частоти яких мають широкій діапазон. З цього діапазону одні коливання згаснуть досить швидко, інші ж, що збігаються з власними коливаннями пустот, посиляться і внаслідок резонансу будуть чутнішими. Досвідчений лікар по тону перкуторних звуків визначає стан і топографію внутрішніх органів.
Ультразвукові коливання і хвилі – це такі пружні коливання і хвилі, які мають частоту в межах від 20 кГц до 109 Гц. Оскільки енергія пружних коливань і хвиль пропорційна добутку квадрата амплітуди і квадрата частоти, то ультразвукові коливання і хвилі мають значно більшу енергію, ніж звукові коливання при одній і тій самій амплітуді. Так, наприклад, якщо частота коливань змінюється в тисячу разів, скажімо від 1 кГц (звукові коливання) до 103 кГц (ультразвукові коливання), то при цьому енергія коливань збільшується в мільйон разів.
З метою генерації та прийому ультразвукових коливань використовують найчастіше два методи: механічний, в якому джерелом ультразвуку є енергія потоку газу чи рідини, та електромагнітний, в якому для отримання ультразвуку використовують енергію електричних коливань відповідної ультразвукової частоти. Недолік першого методу – широкий спектр частот і нестабільність амплітуди. Другий метод – магнітострикції и електрострикції дає більш вузьку смугу частот, що дозволяє використовувати такі ультразвукові генератори і приймачі з метою контролю і вимірювання, в тому числі і медико–біологічних показників.
Застосування ультразвуку в різних галузях, включаючи медицину, пов’язані з тією їх важливою властивістю, що будь-які зміни в середовищі, через яке проходить ультразвукова хвиля, приводять до зміни швидкості поширення і поглинання цієї хвилі, відбиття хвилі від границі розділу, акустичної кавітації – появи мікропорожнин в матеріальному середовищі (наприклад, в рідині) під дією коливань тиску. Так, при інтенсивності ультразвукової хвилі І = 105 Вт / м 2 і частоті n = 5×106 Гц на відстані половини довжини хвилі l /2 = 0.03 мм утворюється дуже великий перепад тиску, що дорівнює 6.3×107 Па / см, тобто цей перепад в 630 разів перевищує нормальний атмосферний тиск. Кавітаційний та інші механізми дії ультразвуку можуть викликати механічні ефекти (розрив і загибель бактерій тощо), хімічні ефекти (збудження й іонізацію атомів та молекул з утворенням радикалів), які можуть бути як позитивними при відносно малих інтенсивностях, так і негативними при великих інтенсивностях ультразвукової хвилі.
Зміна швидкості і поглинання ультразвуку в різних органах і тканинах, а також відбиття ультразвукової хвилі на границях різних середовищ в організмі людини лежать в основі відомого методу ультразвукового дослідження (УЗД). Створені спеціальні комп’ютеризовані пристрої, які за певною програмою дозволяють візуалізувати зображення на екрані монітора. Сучасними прикладами УЗД в медицині є ультразвукова ехоенцефалографія – діагностування пухлин та запалень головного мозку, ультразвукова кардіографія – дослідження динаміки серцевої діяльності за допомогою ультразвуку, ультразвукова голографія – отримання тривимірних зображень біооб’єктів з використанням інтерференції ультразвукових променів, тощо.
Дія ультразвукової хвилі з малою інтенсивністю на рівні 1 Вт / м 2 використовується як позитивний терапевтичний вплив, в основі якого лежить прискорення фізіологічних процесів у клітинах.
При збільшенні інтенсивності ультразвуку на декілька порядків (до 106 Вт / м 2 і вище) внутрішні рухи окремих цитоплазматичних частин клітин підсилюються, виникає ефект кавітації і, як наслідок, необоротні зміни структури і функцій клітин. Подібний механізм лежить в основі бактерицидної дії ультразвуку.
Ультразвуки великої інтенсивності використовуються також з метою руйнування різного роду новоутворень (пухлин тощо). Подібний механізм дії ультразвуку застосовується також в стоматології (зняття зубних каменів, висвердлювання зубних каналів тощо). Процес руйнування біологічних тканин при інтенсивностях вище 106 Вт / м 2 використовується в ультразвуковій хірургії та при ультразвуковому остеосинтезі – зварюванні тканин та кісток за рахунок значного підвищення в них швидкості процесів дифузії.
У фармацевтичній промисловості кавітаційні процеси, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, використовуються для диспергування твердих і рідких матеріалів з метою отримання лікарняних порошків і емульсій тощо.
Механічні та теплові ефекти, що виникають при дії ультразвуку на різні біологічні тканини, лежать в основі методу ультразвукової фізіотерапії.
Метод УЗ локації базується на тому, що:
– швидкість поширення ультразвуку залежить від пружності і густини середовища.
– УЗ хвиля відбивається від межі поділу середовищ з різними властивостіми. Коефіцієнт відбивання r = 
при нормальному падінні хвилі 
z1, z2 – акустичні опори двох середовищ.
– у джерелах і приймачах УЗ використовується п"єзоелектричний ефект. У джерелах обернений, у приймачах прямий. Випромінювач називається п"єзоелемент УЗ.Основним параметром п"єзоелемента є п"єзомодуль L = 
, де 
зміна лінійних розмірів, u – напруга на його поверхні.
Локатор складається з генератора, п"єзодатчика, приймача-підсилювача відбитих сигналів. Локатор працює у імпульсному режимі. Відбитий сигнал приймається п"єзодатчиком в момент паузи, відбувається перетворення УЗ в електричний сигна, підсилюється і поступає на індикатор. Синхронізатор одномоментно запускає розгортку променя індикатора і посилки сигналу у досліджуване середовище. Час, за який електронний промінь на екрані індикатора пройде відстань від початкової точки до повернення відбитого сигналу дорівнює часу проходженняУЗ хвилі від датчика до місця відбивання і назад. t = 
, l – відстань до об"єкта, с – швидкість УЗ. Межа роздільності це найменша відстань між відбиваючими структурами від яких реєструється два окремих відбитих сигнали. Δ l = 
, n – число періодів у імпульсі.
Приклади розв'язування задач.
Задача №1. Визначити максимальну швидкість і прискорення частинок повітря у УЗ хвилі частотою 105Гц, якщо амплітуда зміщення частинки дорівнює 0,5мм.
Розв'язання:
S = Asin 
), V = Aω Acos ), Vmax = Aω = A·2πν
a = – Aω2sin ), amax = Aω2 = A·4π2ν2.
Підставляючи значення отримаємо:
Vmax = 5 10–4м 2 3,14 105м/с = 0,03м/с.
amax = = 5 10–4м 4 3,142 1010 = 2 104м/с2.
Відповідь: 0,03м/с, 2 104м/с2.
Задача №2 Швидкість УЗ хвилі у кістці черепа 3500м/с, частота 4 МГц. Визначити межу розділення УЗ локатора, якщо число періодів у посилці 8.
Δ l = 
/ Δ l = 
= 3,5 10–3м
Відповідь: 3,5 10–3м.
Задача №3 Густина здорової м’язової тканини 1060 кг/м3, її хвильовий опір Ζ = 1,63 106 кг/м2·с. При УЗД відбитий сигнал був прийнятий через 2 10-5с після випромінювання. На якій глибині виявлена неоднорідність?
З формули акустичного опору z = rc c = 
.
З формули часу повернення УЗ сигналу t = l = 
.
Обчислимо l = 
.
Відповідь: 15,4мм.
Задача №4 Яка інтенсивність УЗ хвилі в м’язі на глибині 4 см, якщо глибина половинного послаблення 2 см? Інтенсивність хвилі на поверхні повітря – шкіра
І0 = 1,5 Вт/м2, а в тканину проходить 75% енергії хвилі.
Запишемо закон поглинання звуку І = І1 
, де І1 = 0,75 І0, а h = 0,02м глибина половинного поглинання. Підставимо числові значення
І = 0,75 
= 0,5625 Вт/м2.
Відповідь: 0,5625 Вт/м2.
Інфразвук
Інфразвукові коливання і хвилі – це пружні коливання з частотами до 16 Гц. Інфразвук дуже слабко поглинається в газах, рідинах та твердих тілах і тому може розповсюджуватися майже без втрат на великі відстані. Ця надзвичайно важлива властивість інфразвуку використовується у техніці у звукометричних приладах (мікрофони, гідрофони тощо) для реєстрації різноманітних процесів, що відбуваються з інфразвуковими частотами. До таких процесів належать землетруси, вибухи, виробничі шуми і вібрації, грозові розряди, турбулентні явища в атмосфері, хвилі цунамі тощо.
Зрозуміло, що властивість інфразвукових хвиль розповсюджуватись на дуже далекі відстані повинна бути використаною в процесі біологічної еволюції як засіб передачі та прийому інформації між живими істотами. І хоча це питання ще недостатньо вивчене, слід зазначити, що такі тварини, як летючі миші, дельфіни, кити і деякі інші мають (окрім ультразвукової локації в діапазоні декількох десятків кГц) ще й органи інфразвукової локації. Для людини інфразвукові коливання великої амплітуди можуть бути дуже шкідливими, оскільки деякі процеси в організмі людини відбуваються в інтервалі інфразвукових частот. Наприклад, a -ритми головного мозку мають частотний інтервал 9–13 Гц і тому дія інфразвукових хвиль може викликати шкідливі резонансні явища в мозку людини. Високо інтенсивні виробничі шуми і вібрації, що мають складний неперіодичний характер в різних частотних інтервалах, включаючи інфразвуковий, також є шкідливими для людини. Рівень інтенсивності цих звуків вимірюється за допомогою спеціальних приладів – шумомірів. Встановлено, що гранично дозволений рівень інтенсивності низькочастотних шумів та вібрацій дорівнює L = 100 дБ, тоді як їх нормальним рівнем вважається значення L < 50 дБ.
Завдання для самостійної роботи.
Дати відповіді на запитання.
1. На якому явищу ґрунтується звуковий метод діагностики перкусія.
2. Яке явище лежить в основі принципу дії фонендоскопа?
3. У яких галузях і для чого використовується явище кавітації.
4. Як взаємодіє УЗ з речовиною?
5. Які властивості УЗ–хвиль дозволяють використовувати їх у діагностиці захворювань?
6. Яку біофізичну дію чинить УЗ ф як це застосовується у медицині.
7. Поясніть механізм фонофорезу.
8. Поясніть принцип доплерографії.
9. Як вимірюють швидкість руху крові в судинах за допомогою УЗ?
10. Як застосовується УЗ у терапії?
11. Як застосовується УЗ у хірургії?
12. Як впливає інфразвук на живі істоти? Чи може він бути смертельно небезпечним?
Розв'язати задачі.
1. УЗ–хвиля частотою 5МГц проходить з м'яких тканин у кістку. Визначити довжину хвилі у обох середовищах, якщо швидкість у першому 1500м/с, а у другому 3500м/с. Визначити коефіцієнт відбивання, якщо густини середовищ однакові.
2. Визначити мінімальну частоту УЗ–хвилі в посилці з 10 періодів, якщо при дослідженні кістки потрібно розрізнити тріщину шириною 2,5мм. Швидкість УЗ 3500м/с.
3. Яку робочу частоту потрібно вибрати для дослідження відшарування сітківки в оці 1МГц, або 20МГц. Відповідь обґрунтуйте.
4. Межа розділення Δ = 3,5мм, швидкість УЗ–хвилі 3500м/с, частота УЗ 4МГц. Визначити число періодів у посилці.
