~ Введение в звук и ультразвук
~ Отправка и получение ультразвука
~ Взаимодействие ультразвука с тканями тела
~ Режимы сканирования
~ Частота, длина волны, разрешение и глубина
~ эффект Доплера
Звук и ультразвук
Мы все знакомы со звуком. Он помогает общаться и слушать сплетни. Звуковые сигналы предупреждают нас, и пульсоксиметры поют нам насыщения.
Самое удивительное - звук действительно может помочь увидеть то, что скрыто, подобно летучим мышам, что "видят" звук.
К сожалению, у летучих мышей всегда ночная смена. Они отправляются на охоту поесть ночью, когда еда плохо освещена. Сочную красную клубнику нелегко заметить ночью.
К счастью, летучие мыши одарены системой обнаружения вещей со звуком. Сначала они издают звук.
Звуковые волны отражаются от таких объектов, как клубника. Звуковые волны, отражающиеся от клубники, отражаются обратно к летучей мыши. Направление, откуда звук возвращается, говорит ему, в каком направлении клубника. Время, необходимое для звуковых волн, чтобы достичь клубники и вернуться обратно в ухо летучих мышей говорит ему, как далеко клубника. Чем дольше звуковые волны возвращаются, тем дальше клубника.
Вот так, используя звук, летучая мышь может найти невидимое. Точно так же мы в анестезии можем использовать звук, чтобы обнаружить невидимое. Например, мы можем использовать его для направления иглы при введении центрального венозного катетера во внутреннюю яремную вену на шее пациента без повреждения других жизненно важных структур.
Что такое “звук” и “ультразвук “?
Звук - это вибрация, передающаяся в среде (воздух), которая может быть услышана человеческим ухом. Если бы вы были муравьем или птицей, значение звука было бы другим. Звук конкретно относится к тому, что человеческое ухо может слышать.
Вибрации, в том числе и звуковые, имеют частоту. Частота является мерой того, как часто что-то “вибрирует в секунду. Единица измерения частоты - Герц, официальный символ - Гц, и может рассматриваться как “колебания в секунду"
Человеческое ухо слышит частоты от 20 Гц до 20000 Гц. Итак, "звук" - это вибрации в этом диапазоне частот.
Человеческое ухо не может слышать ниже 20 Гц, и частоты ниже этого называются "инфракрасным звуком" . Слоны могут использовать инфракрасный звук и использовать его.
Человеческое ухо не может слышать выше 20 000 Гц. Частоты выше 20 000 Гц называются "ультразвуком". Летучие мыши используют ультразвук для поиска пищи, как описано выше, и дельфины используют его для общения со своими друзьями. И что немаловажно, ультразвук используется в анестезии для визуализации различных частей тела. Ультразвук, используемый в медицинской визуализации, как правило, работают на частотах выше человеческого слуха: около 2 миллионов Гц до 20 миллионов Гц (2-20 Мгц).
Генерация ультразвуковых волн
Используя ультразвук для поиска вещей, мы сначала должны иметь способ их генерации. Нужно что-то, чтобы создать вибрации, которые будут путешествовать в тканях у пациента.
Существует специальный материал под названием “пьезоэлектрический кристалл". Этот материал имеет очень особенное свойство. Когда напряжение прикладывается к пьезоэлектрическому кристаллу, он расширяется. Когда напряжение тока извлекается, оно сжимает назад в свою первоначально толщину.
Если напряжение тока быстро приложено и извлечено повторно, то пьезоэлектрический кристалл быстро расширяет и ослабляет, создающие волны ультразвука.
Прием Ультразвука
Чтобы найти что-то с помощью ультразвука, нужно иметь способ слушать звуковые волны, отражающиеся от различных объектов. В предыдущем разделе мы обсуждали, как пьезоэлектрический кристалл расширяется при приложении к нему напряжения и как это используется для генерации ультразвуковых волн. Пьезоэлектрические кристаллы обладают еще одним очень полезным свойством, которое позволяет использовать их также для приема ультразвуковых волн. Когда пьезоэлектрический кристалл сжимается, он генерирует напряжение. Это свойство используется для "прослушивания" ультразвуковых волн, которые возвращаются после удара объектов. Когда возвращающиеся звуковые волны попадают на пьезоэлектрический кристалл, он сжимается. Затем Кристалл генерирует напряжение, соответствующее интенсивности ультразвуковой волны, которая попадает на него.
Ультразвуковая машина удобно использует тот же пьезоэлектрический кристалл для передачи и прослушивания ультразвуковых волн. Сначала машина прикладывает напряжение к кристаллу, чтобы расширить его и передать.
Ультразвуковая машина быстро переключается в режим прослушивания, контролируя напряжение на пьезоэлектрическом кристалле. Цикл передачи и приема повторяется очень быстро.
Приведенные выше примеры показывают только один кристалл для ясности. В действительности ультразвуковые зонды состоят из большого количества отдельных пьезоэлектрических кристаллов. Информация, собранная из кристаллов, обрабатываются компьютером для отображения изображений на экране.
Желе
Воздух - враг ультразвука. Волны ультразвука клонит отразить сильно везде, где воздух встречает биологическую ткань. Если даже небольшой пузырь между зондом и кожей пациентов, то волны ультразвука будут отражены прочь вместо прорезывать кожу. Без волн, идущих в пациента, Вы не сможете получить изображение спуска. Поэтому крайне важно убедиться, что между зондом и кожей пациента нет пузырьков воздуха.
С другой стороны, ультразвук легко проходит через жидкости. По этой причине часто используют густую жидкость ( желе ) между зондом и кожей пациента. Толстая жидкость помогает держать далеко воздушные пузыри и позволяет легкому проходу волн ультразвука.
Что происходит с ультразвуковыми волнами ?
Как только ультразвук попадает в организм, с ним могут произойти разные вещи. Только часть из них возвращается обратно к зонду, чтобы помочь машине сформировать изображение. Остальное потеряно. Когда ультразвук попадает в организм, часть его подвергается:
1. затухание
2. преломление
3. отображение
Затухание
Некоторые из ультразвуковых волн уменьшаются. То есть тело поглощает энергию ультразвука, заставляя волны исчезать. Эти волны не возвращаются к зонду и поэтому “тратятся впустую”. Чем больше тканей тела, которые ультразвуковые волны должны пересечь, тем больше ослабления волны страдают. Это одна из причин, почему более трудно представить себе более глубокие структуры.
Преломление
Каждое вещество, как нервы, мышцы, или сало, имеет уникально свойство “акустическим импедансом”. Акустический импеданс - это довольно сложное понятие, но в основном зависит от плотности вещества и скорости ультразвука в веществе. Вещества с различными акустическими импедансами существенно изменяют ход ультразвуковых волн.
Когда ультразвуковая волна пытается пройти от одного вещества к другому веществу с различным акустическим импедансом, с ней происходят две вещи.
Часть ультразвуковых волн продолжается во второе вещество, но становится слегка отогнутой от своего первоначального направления.
Изгиб, когда ультразвук переходит от одного вещества к другому веществу с различным акустическим импедансом, называется преломлением.
В дополнение к этому происходит еще одна очень важная вещь. Часть волны отражена назад к зонду. Количество отраженного назад зависит от разницы акустического импеданса между двумя веществами, больше разница - больше отражение. Отраженные волны чрезвычайно важны, так как только эти волны возвращаются обратно к зонду и обеспечивают информацию для машины, чтобы показать изображение.
По мере того как ультразвуковая волна пересекает от одной ткани к другой, каждое с различным акустическим импедансом, некоторая из волны отражена назад на каждом скрещивании. Поэтому, множественные отраженные волны возвращают к зонду и машина использует эту информацию для показа изображения показывая различные ткани.
Отображение
Неправильные поверхностные объекты, такие как нервы, рассеивают ультразвуковые волны во всех направлениях. Небольшая часть волн отражается обратно на зонд. Это называется “рассеянное отражение”.
Если объект большой и гладкий, как игла, блокирующая нерв, вся ультразвуковая волна отражается назад. Это очень полезно, Так как это помогает нам ясно видеть иглы при выполнении ультразвуковых управляемых нервных блоков. Это зеркальное отражение, где волны отражаются в основном в одном направлении, официально называется "зеркальным отражением".
