Ультразвук – это звуковая волна частотой более 20 кГц (20 000 Гц). В медицине используется частота 1-30 МГц.
Звуковая волна (акустическая волна) – колебания частиц в упругой среде, волнообразно распространяющиеся в этой среде и несущие энергию, но не материю. Включает продольные, поперечные, изгибные, поверхностные волны и волны растяжения. Основными являются продольные и поперечные волны.
Продольная звуковая волна - волна, где колебания частиц среды распространяются в виде зон сжатия и разрежения вещества в направлении распространения энергии.
Поперечная звуковая волна – волна, где колебания частиц среды происходят в направлении, перпендикулярном распространению энергии.
УЗ-волна возникает в результате пьезоэффекта («пьезо» – от греч. «нажать»), который был открыт Пьером и Жаком Кюри в 1880 году. Сущность состоит в том, что при подведении к пьезоэлементу электрического тока он начинает с высокой частотой сжиматься и расширяться, генерируя ультразвуковую волну (обратный пьезоэлектрический эффект). Наоборот, при механической деформации пьезоэлемента, возникает электрический ток (прямой пьезоэлектрический эффект). Современные пьезоэлектрические материалы состоят чаще из титаната или цирконата свинца с различными добавками (пьезокерамика).
Частота (f) – количество полных колебаний частицы среды в единицу времени. Единица измерения - 1 Герц (Гц) – 1 колебание в 1 секунду, кГц (1 тыс. Гц), МГц (1 млн. Гц). Чем больше частота, тем меньше размеры объектов, которые можно увидеть, тем больше потеря силы сигнала и меньше глубина проникновения.
Слышимый звук – 20 Гц - 20 кГц (20 тыс. Гц). Ультразвук – более 20 кГц. Инфразвук – менее 20 Гц. 3-5 МГц – для исследования глубоких структур. 5-10 МГц – для исследования поверхностных структур. 10-30 МГц – для исследования кожи и глаз.
Период (Т) – время, за которое частица среды совершает одно полное колебание (время, затраченное на фазы сжатия и разрежения). Единица измерения – секунда, микросекунда (мкс).
Длина волны (λ) – расстояние, которое занимает в пространстве одно колебание (расстояние между двумя ближайшими точками в одной фазе). Единица измерения – миллиметр, метр. Чем больше частота, тем меньше длина волны и тем больше разрешающая способность.
Акустическое сопротивление среды (Z) - характеризует степень сопротивления среды распространению ультразвуковой волны. Определяется как произведение плотности среды (ρ) и скорости распространения в среде (С).
Амплитуда – максимальное отклонение от средней величины. Характеризует мощность ультразвуковой энергии.
Интенсивность волны – среднее по времени значение плотности потока энергии в данной точке пространства. Характеризуется как отношение мощности УЗ-волны к площади, по которой она распространяется. Единица измерения – Вт/см кв. Чем меньше площадь, тем выше интенсивность. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды. Чем больше интенсивность, тем громче звук, чем выше частота, тем выше тон звука. Интенсивность неоднородна по площади потока и, при импульсном режиме, во времени.
Частота повторения импульсов (ЧПИ, PRF) - число УЗ-импульсов, излучаемых в единицу времени при импульсном режиме. Единица измерения – Гц, кГц.
Фактор времени (занятости) – время, в течение которого происходит излучение в форме импульсов.
Продолжительность импульса – временная протяженность 1 УЗ-импульса. Единица измерения – секунда, микросекунда.
Пространственная протяженность импульса (ППИ) - длина пространства, в котором размещается 1 УЗ-импульс. ППИ = С х n/f, где n – число колебаний в импульсе, С – скорость распространения, f- частота. Единица измерения – мм. Для улучшения разрешающей способности надо уменьшить ППИ. Уменьшение ППИ возможно при уменьшении числа колебаний в импульсе или при увеличении частоты.
Затухание ультразвукового сигнала - уменьшение энергии УЗ-волн при распространении в среде (уменьшается амплитуда и интенсивность). Уровень потери энергии ультразвука при прохождении через среду зависит от частоты колебаний, плотности среды и ее теплопроводности. Единица измерения – децибел (дБ). Причины затухания - поглощение, отражение и рассеивание при прохождении сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью распространения.
Коэффициент затухания – ослабление УЗ-сигнала на единицу длины его пути (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Чем выше частота, тем меньше глубина проникновения ультразвука и тем легче происходит его затухание. Структуры, в которых происходит полное затухание, то есть через которые ультразвук не может проникнуть, дают после себя акустическую тень (кости, конкременты, кальцификаты).
Отражение и проведение. При падении УЗ-луча на границу раздела сред часть энергии отражается, а остальная энергия проходит во вторую среду. Степень отражения зависит от угла падения УЗ-луча – чем больше угол приближается к 90 град., тем больше отражение. При перпендикулярном падении УЗ-луча, он отражается или частично проводится через границу сред без изменения направления. Коэффициент отражения – отношение интенсивности отраженной и падающей волны - зависит от разности сопротивления на границе сред: чем больше разность, тем сильнее отражение. Коэффициент проведения – отношение интенсивности волны, прошедшей границу сред, к интенсивности падающей волны. Если ткани имеют разную плотность, но одинаковое акустическое сопротивление, отражения не будет. При большой разнице сопротивлений происходит почти полное отражение (например, граница воздух/ткани), поэтому используют соединительные среды (гель). При наклонном падении УЗ-луча определяют угол падения, угол отражения и угол преломления (угол падения равен углу отражения).
Преломление – изменение направления распространения волн при пересечении границы сред с разными скоростями распространения. Преломления не наблюдается, если скорости распространения в двух средах равны или угол падения равен нулю.
Поглощение – переход энергии УЗ-волн в тепловую энергию, что связано с вязкостью среды (трением частиц среды).
Рассеивание – множественные изменения направления УЗ-луча при неровностях отражающей поверхности или неоднородности среды, когда размеры неровностей сопоставимы с длиной волны. Если длина волны много больше неровностей отражающей поверхности, наблюдается зеркальное отражение. При обратном рассеивании луч отражается в направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов повышается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты.
Дифракция - огибание акустическими волнами препятствий на пути распространения. Если препятствие больше ¼ длины волны, то преобладают явления отражения и поглощения. Если объект меньше ¼ длины волны, наблюдается дифракция – волны огибают объект, не отражаясь, и за ним не возникает тени.
Интерференция - физическое явление, когда при прохождении через среду волны пересекаются, складываются или подавляют друг друга в зависимости от их амплитуды и фазы. Если волны накладываются друг на друга в одной фазе (синфазно), то их амплитуда увеличивается. Если волны накладываются друг на друга в противофазе, то их амплитуда уменьшается.
Автор - Иогансен Юрий Александрович, врач УЗД, кандидат медицинских наук