Шериф Аббас, Филип Пенг
Физические характеристики ультразвука и механизм создания изображения
Характеристики звуковой волны
Длина звуковой волны, различимой ухом человека, лежит в пределах 20–20 000 Гц. Ультразвук — это звуковая волна за пределами слышимого диапазона (>20 000 Гц). Ультразвуковые датчики для медицинских целей вырабатывают ультразвуковые частоты между 2 и 17 МГц. Некоторые специа-лизированные ультразвуковые системы могут генерировать частоты между 20 и 55 МГц. Звуковые волны не существуют в вакууме и плохо проводятся через газовую среду, так как молекулы в ней находятся на большом расстоянии друг от друга, что объясняет применение геля для лучшего «сцепления» (вытеснения воздуха) между кожей объекта и ультразвуковым датчиком.
Звуковая волна является видом энергии, способной пройти через проводящие ее среды (например, ткани тела человека) в виде продольной волны, создавая поочередно сжатие (высокое давление) и расширение (низкое давление) (рис. 1.1 и 1.2). Распространение звуковой волны можно изобразить в виде синусоиды с такими характеристиками, как давление (P), длина волны (λ), частота (f), период (T) и скорость (табл. 1.1).
&hide_Cookie=yes)
Рис. 1.1. Сравнение высокочастотных и низкочастотных звуковых волн. (Напечатано с разрешения Филипа Пенга. Образовательная серия)
&hide_Cookie=yes)
Рис. 1.2. Распространение длинной волны с попеременным сжатием и расширением. (Напечатано с разрешения Филипа Пенга. Образовательная серия)
Скорость распространения звуковой волны для различных биологических сред отличается, но среднее значение находится на уровне 1540 м/с для большинства мягких тканей человека. Отличия могут быть достаточно большими, в частности, <330 м/с для воздуха и >4000 м/с — для костной ткани человека.
Длина волны (λ) напрямую связана с частотой (f). Следовательно, звуковая волна высокой частоты имеет короткую длину и наоборот.
Механизм возникновения ультразвуковой волны
Ультразвуковая волна вырабатывается в условиях контакта электрического поля с поверхностью пьезоэлектрического кристалла, расположенного в датчике. Стимуляция электрическим полем вызывает изменение структуры кристалла и его вибрацию, что приводит к образованию звуковой волны (то есть механической энергии). Преобразование энергии электрического поля в механическую энергию (звуковую) называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Каждый пьезоэлектрический кристалл вырабатывает ультразвуковую волну. Волны, выработанные кристаллами, формируют ультразвуковой луч. Ультразвуковые волны вырабатываются в импульсном режиме (прерывистой чередой волн), и каждый импульс обычно содержит от двух до трех звуковых циклов определенной частоты.
Длина импульса (PL) — расстояние, которое проходит волна за время одного импульса. Волны импульсов короткой длины улучшают продольное разрешение изображения. Длина импульса не может быть сокращена до менее двух или трех циклов за счет материала для поглощения вибрации в датчике.
Частота повторения импульсов (PRF) — скорость излучения импульсов датчиком (число импульсов в единицу времени) (рис. 1.3). Ультразвуковые импульсы должны возникать с достаточным интервалом между ними для того, чтобы волна достигла цели и вернулась обратно в датчик перед следующим импульсом. Частота повторения импульсов для медицинских целей находится в пределах от 1 до 10 кГц. Например, если PRF = 5 кГц и время между импульсами — 0,2 м/с, то потребуется 0,1 м/с для достижения цели волной и 0,1 м/с — для возвращения ее в датчик. Это означает, что импульс пройдет расстояние 15,4 см перед следующим (1540 м/с×0,1 м/с = 0,154 м в 0,1 м/с = 15,4 см).
&hide_Cookie=yes)
Рис. 1.3. Частота повторения импульсов. (Напечатано с разрешения Филипа Пенга. Образовательная серия)
Таблица 1.1. Базовая терминология
| Термин | Определение |
| Длина волны (λ) | Расстояние между двумя точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе. Выражается в метрах (m) |
| Амплитуда (A) | Оценка высоты волны, то есть максимального отклонения колеблющегося тела от положения равновесия. Выражается в метрах (m) |
| Период (T) | Время, требуемое для одного волнового цикла. Единицы измерения — секунды (s) |
| Частота (f) | Число полных циклов в секунду. Следовательно, это обратная величина периода. Единицы измерения — Гц. Для медицинских целей используются высокочастотные волны (1–20 МГц) |
| Скорость (с) | Скорость распространения звуковой волны через различные виды сред (м/с). Она связана с частотой (f) и длиной (λ) волны |
| Энергия (Е) | Энергия звуковой волны пропорциональна квадрату амплитуды (А). Это значит, что, когда амплитуда волны становится меньше (при более глубоком проникновении в ткани), энергия волны сильно снижается |
| Мощность (Р) | Определяется как энергия, вырабатываемая в единицу времени (t) |
Механизм создания ультразвукового изображения
Ультразвуковое изображение возникает, когда волны, излучаемые датчиком, проникают в тело человека и, отражаясь от поверхности тканей, возвращаются обратно. Схематичная диаграмма (рис. 1.4) отражает время ожидания возвращения волны (то есть эхо) после каждого импульса. Датчик преображает эхо (механическую энергию) в электрический сигнал, который обрабатывается и отражается на экране в виде изображения. Преобразование звуковой волны в электрическую энергию называется пьезоэлектрическим эффектом.