Изучение ультразвуковых методов исследования
И лечения в медицине
Цель работы: 1.Познакомится с устройством и принципом работы аппарата для ультразвуковой терапии УЗТ - 1,01.
2. Изучить действие ультразвука на биологическую ткань.
3.Рассмотреть вопросы о физических основах применения ультразвука в медицине.
Литература
1. [ 1 ], § 7.11, § 8.4, § 8.6.
2. [ 2 ], § 32.
3. [ 3 ], стр. 245 - 250.
Вопросы входного контроля
1. Что называется ультразвуком?
2. Назовите способы получения и регистрации ультразвука.
3. Назовите особенности распространения ультразвука в неоднородных средах?
4. В чем заключается механическое, химическое и тепловое действие ультразвука?
5. Привести примеры применения ультразвука в медицине и дать им обоснование.
6. В чем сущность эффекта Доплера? Поясните метод определения скорости кровотока, основанный на эффекте Доплера.
Краткая теория
Ультразвук (УЗ) - это упругие механические колебания среды, аналогичные звуковым, но более высокой частоты от 20 × 10 
Гц до 10 
- 10 
Гц. Верхняя граница УЗ определяется межмолекулярным расположением частиц среды, поскольку для передачи колебательного движения необходимо, чтобы расстояния между частицами были не более половины длины волны. Колебания ультразвуковых частот не воспринимаются человеческим ухом.
Применение УЗ в медицине основано на особенностях его действия на биологическую ткань, которое сводится к трем основным видам:
1) Механическое действие - наличие областей давления, амплитуда которого при средних лечебных интенсивностях колеблется в пределах ±3атм.
Следствием механического действия является кавитация. Кавитация - образование микроскопических полостей - пузырьков в жидкости, что вызвано наличием соседних областей со значительными перепадами давлений (
). 
Когда в месте локализации пузырька происходит сжатие, то пузырек захлопывается под большим давлением с выделением большого количества энергии. Мощность, выделяемой энергии пропорциональна . Температура при этом повышается до 104 К.
2) Тепловое действие основано на повышении энергии колебательного движения частиц среды, в которой распространяется УЗ волна.
3) Химическое действие ультразвука заключается в образовании новых реакционноспособных веществ и последующим их взаимодействием с веществами клетки (окисление фосфолипидов, образовании гидроперекисей). Кроме этого при прохождении ультразвука активируются некоторые химические реакции и процессы, например окисления и полимеризации. Активация химических реакций вызывается энергией выделяемой при кавитационных явлениях.
Все указанные действия обуславливают использование ультразвука в разных областях медицины: диагностика, терапия, хирургия, лабораторные исследования, стерилизация, фармакология.
Рассмотрим некоторые из них:
1). При облучении УЗ малой интенсивности (1 Вт/см2) усиливается движение цитоплазмы клетки, что ускоряет нормальные физиологические процессы. Действие УЗ малой интенсивности лежит в основе применения в терапии.
2). При действии УЗ большой интенсивности значительные колебания давления могут вызвать как разрушение различных биологических структур (клетка, костная ткань, бактерии и др), так и разрушение биомолекул с образованием ионов и радикалов.
Разрушающее действие ультразвука на биологические объекты используется для стерилизации (бактерицидное действие) и для разрушения злокачественных опухолей в головном мозге. Если опухоль находится в глубине мозга, то используют несколько пучков ультразвуковых волн малой интенсивности. Пучки пересекаются в месте локализации опухоли. Суммарная интенсивность является причиной кавитационных явлений, приводящих к разрушению опухоли.
Ультразвук может вызывать разрушение камней при желчно-каменной болезни за счет деструктивных действий механической волны, вызванных значительным колебанием давлений.
3). На усилении скорости диффузии под действием УЗ волны основано его применение в фармакологии для приготовления высокодисперсных стабильных лекарственных эмульсий.
4). В последнее время разработаны методы ультразвукового соединения костей. Поверхности соединяемых костей покрываются специальной жидкой пластмассой, которая под действием ультразвука диффундирует в глубь прилежащего слоя кости, где образуется молекулярное соединение с коллагеновой основой кости, а затем полимеризуется и переходит в твердое состояние.
5). Примером применения УЗ в диагностике является определение структуры внутренних органов, наблюдение опухолей, кровоизлияний и т.д. Основа применения ультразвуковых исследований заключается в отражении волны от границы раздела неоднородных сред. О размере органа, опухоли можно судить по времени запаздывания отражения от передней и задней стенки.
О локализации неоднородности или включения можно судить по глубине расположения объекта измеренной из нескольких точек на поверхности тела. (Рис. 1).
 |
Рис.1. Определение локализации объекта.
Форма и размер включения определяются по размерам геометрической тени, полученной из нескольких точек на поверхности тела. (Рис.2).
 |
Рис.2. Определение формы и размера включения.
Согласно закону Рэлея интенсивность, отраженная от неоднородности, зависит от соотношения акустических импедансов 2-х сред. Используя данный закон, можно определить относительную плотность 2-х сред по измеренному коэффициенту отражения (b) и известным скоростям распространения звука в обеих средах. Это позволяет дать оценку о патологических изменениях в тканях.
6). Ультразвук используется для определения скорости кровотока. Данный метод разработан на основе эффекта Доплера. При этом излучатель и приемник ультразвука с помощью специальных катетеров вводят в кровеносный сосуд и измеряют доплеровский сдвиг частот, который возникает между падающей и отраженной от движущихся эритроцитов волн. Поскольку величина сдвига прямо пропорциональна скорости движения объекта, то по разнице между частотами испускаемой и принимаемой волны можно судить о скорости кровотока. Эффект Доплера также лежит в основе изучения динамики других физиологических процессов: колебания стенок сосуда, движения клапанов и стенок сердца и др.
Практическая часть.
Описание аппарата для ультразвуковой терапии УЗТ – 1,01.
Аппарат предназначен для генерирования ультразвуковых колебаний в целях воздействия ими на различные участки тела человека. Номинальное значение частоты ультразвуковых колебаний, генерируемых аппаратом, – 0,88 МГц. Аппарат работает в непрерывном и импульсном режимах, генерируя импульсы длительностью 2,4 и 10 мс.
Аппарат содержит электронный блок и два сменных излучателя. Лицевая панель электронного блока представлена на рис. 3.
2 – разъем ВЫХОД для подключения кабеля излучателя;
3 – индикатор выходного напряжения;
4 – выключатель СЕТЬ;
5 – индикатор включения сети;
6 – переключатель ИЗЛУЧАТЕЛИ;
7 – переключатель ИНТЕНСИВНОСТЬ, Вт/см2;
8 – переключатель РЕЖИМ РАБОТЫ;
9 – процедурные часы.
 |
Рис. 3. Вид электронного блока аппарата со стороны лицевой панели.
 |
Электронный блок предназначен для получения напряжения возбуждения ультразвукового излучателя в непрерывном и импульсном режимах генерации. Внешний вид излучателя ИУТ 0,88 – 4,04 Ф представлен на рис. 4.
Рис. 4. Общий вид излучателя 0,88 – 4.04 Ф.
1 – пьезоэлемент;
2 – корпус;
3 – ручка;
4 – соединитель.
Основным элементом излучателя является керамический пьезоэлемент, установленный в корпус, прикрепленный к ручке. Второй конец ручки излучателя заканчивается кабелем, посредством которого излучатель присоединяется к генератору высокочастотных колебаний. Колебания пьезоэлемента происходят с частотой электрических колебаний, генерируемых электронным блоком.
Ультразвуковые колебания от излучающей поверхности излучателя передаются в контактирующую с ним среду.