Физические свойства ультразвука

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющие­ся колебательные движения частиц упругой среды с частотой более 20 кГц. При этом частицы среды не перемешаются в направлении рас­пространения волны, а колеблются около своих положений равновесия. В результате колебательного движения частиц в среде образуются уча­стки сжатия или разряжения, чередующиеся с определенной частотой, что приводит к возникновению ультразвуковых волн.

В зависимости от направления колебания частиц относительно рас­пространения волны различают несколько типов ультразвуковых волн: поперечные, продольные, изгибные, поверхностные и волны растяже­ния. В биологических средах распространяются только продольные уль­тразвуковые волны, которые характеризуются следующими основными параметрами:

1. Частота колебаний (f) – это число чередования фаз сжатия и разря­жения в единицу времени. За единицу частоты колебаний принят герц (Гц), соответствующий одному колебанию в секунду. Диапазо­ны звука в зависимости от частоты колебаний: инфразвук – до 16 Гц: звук – от 16 до 16000 Гц; ультразвук – от 20000 Гц и выше. В меди­цинской диагностической аппаратуре используют ультразвук в диа­пазоне частотой от 1 до 15 мегагерц (МГц) – т. е. от 1 до 15 милли­онов колебаний в секунду.

2. Период колебаний (Т) – интервал времени, необходимый для фаз сжатия и разряжения, т. е. для завершения полного цикла колеба­ния. Период колебания обратно пропорционален частоте колебаний и вычисляется по формуле: Т = 1/f

3. Длина волны (l) – расстояние между ближайшими точками среды, находящимися в одинаковой фазе колебания.

4. Скорость распространения волны (С) – это расстояние, на которое распространяется волна в единицу времени. Скорость распростране­ния ультразвуковых волн в среде зависит от плотности среды, ее упругих свойств и температуры; она прямо пропорциональна длине волны и частоте колебаний: C = f × λ.

Скорость распространения ультразвука в мягких тканях организма = 1540 м/с, в то время как в костях она выше и составляет = 3360 м/с. Глубина залегания объектов (S), отражающих ультразвук, определя­ется по формуле: S = (C × t)/2, где – скорость распространения ультразвука, t – время, за которое ультразвук достигает исследуемых структур и возвращается обратно.

5. Амплитуда колебаний ультразвуковой волны (А) – величина, кото­рая при одной и той же частоте колебания характеризует мощность ультразвуковой энергии.

6. Интенсивность колебаний – определяется количеством энергии, про­ходящей за одну секунду через один квадратный сантиметр площади, расположенной перпендикулярно направлению распространения ультразвукового луча. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/см³). В медицинской диагностической аппаратуре мощность равна 0,005-0,250 Вт/см².

7. Отражение ультразвука – способность ультразвуковых волн отражаться от границы двух сред с различным акустическим сопротивлением.

8. Эффект Допплера – ультразвук, отраженный от движущихся объек­тов, возвращается к датчику с измененной частотой. В однородной среде ультразвуковые волны распространяются прямо­линейно. Достигнув границы с другой средой, акустической, сопротив­ление которой отличается от первой среды даже на 1%, часть энергии перейдет во вторую среду, а часть отразится от границы раздела сред. Чем выше различие в акустическом сопротивлении двух сред, тем боль­ше величина отраженной энергии.

Получение ультразвука

Физической основой генерирования и регистрации ультразвука явля­ется прямой и непрямой пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрические преобразователи изготавливают из монокристал­лов кварца, сульфата магния или синтетических пьезоматериалов. При воздействии на пьезоэлектрический кристалл электрическим потенциа­лом кристалл начинает сжиматься и растягиваться. Это сопровождает­ся возникновением ультразвуковых колебаний, частота которых зави­сит от частоты приложенного к кристаллу переменного электрического поля. Таким образом, обратный пьезоэлектрический эффект лежит в основе генерирования ультразвуковых волн пьезоэлектрическим кри­сталлом. Но пьезоэлектрический кристалл является не только источни­ком ультразвуковых волн, но и приемником ультразвуковых волн. При этом прием ультразвука основан на прямом пьезоэлектрическом эффек­те, это значит, что при воздействии на пьезоэлектрический кристалл отраженных ультразвуковых волн на гранях кристалла возникает элек­трический заряд, который регистрируется и расшифровывается с помо­щью компьютера, вмонтированного в УЗИ- прибор.

Пьезоэлектрические преобразователи (трансдюссеры) – большинства УЗИ- приборов работают в импульсном режиме, генерируя 1000-1500 имп. /сек. При чем в режиме генерации трансдюссер работает лишь 0,1% времени цикла, тогда как в режиме приема – 99,9%. Пациент при этом получает минимум облучения.

Главный параметр УЗИ- аппаратов – разрешающая способность, т е. то минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они регистрируются на экране как две отдельные структуры. Различают:

1. Осевая разрешающая способность – способность различать объекты, расположенные вдоль оси ультразвукового луча. Зависит от частоты и длины волны: чем выше частота и меньше длина волны, тем осевая разрешающая способность выше.

2. Латеральная разрешающая способность – способность различать объекты, расположенные перпендикулярно оси центрального луча. Зависит от ширины (или фокусировки) ультразвукового луча.