Ульрозвук

                                                   Слайд

Датчик устроен так, что за каждый кадр УЗ – сигнал посылается в среду с веерной разверткой по плоскости построения изображения. Поэтому изображение внутренних структур органа  на экране монитора представляется сектором.

                                                  Слайд

На слайде представлен пример такого сканирования печени человека. На этом снимке представлен фронтальный срез печени: плотные слои окрашены темными, а менее плотные – светлыми тонами. Самым темным тоном окрашены вены.

    Если в клинике  при проведении ультразвукового  исследования (УЗИ) требуется получение  изображения и характеристик  подвижных органов или их фрагментов, то используется метод М- сканирования. В этом случае на экран выводится  срез органа в одной плоскости ( например, по главной оси сердца ), который разворачивается во  времени. Этот метод нашел самое  широкое применение в кардиологии. Таким методом представляют изображения  различных областей сердца в  реальном режиме его сокращений. Современные УЗ-сканеры позволяют  представлять на экране монитора  одновременно несколько изображений  сердца в различных режимах  сканирования. Такой метод позволяет  представить врачу наиболее полную  информацию об анатомическом  и функциональном состоянии органа. На слайде показаны изображения  работающего сердца и его фрагментов  в режиме В-сканирования и одновременно  еще два изображения в режиме  М-сканирования.

     В приведенном  примере получено изображение  работающего сердца в режиме  В-сканирования (фрагмент а). Поскольку  сердце сокращается, и его стенки  весьма подвижны, снимок получается  несколько смазанным. Врач установил  курсор (зеленый пунктир, фрагмент  а) в сечении желудочков сердца  и получил развернутый во времени  срез  структур сердца в указанной  плоскости (фрагмент б) в режиме  М-сканирования. Затем врач установил  курсор на область митрального  клапана (зеленая линия, фрагмент  а) и получил развернутый во  времени  срез, в котором можно  наблюдать движение митрального  клапана (фрагмент в) в режиме  М-сканирования. Таким образом, врач, устанавливая курсор на интересующую  его область, может получить изображения  любых участков сердца и одновременно  наблюдать в реальном режиме  времени их работу.

     Современные  УЗ-сканеры позволяют получать  изображения самых различных  конфигураций во многих, удобных  для врача сочетаниях. Например, давать В-, М-сканирование изображения  структур сердца и одновременно  доплер-изображение кровотока в  полости желудочков сердца. Такие  сложные представления органов  и их функций, как правило, даются  в цветном изображении. Кроме  того, УЗ-сканеры позволяют реконструировать  трехмерные изображения (режим 3D) органа. Этот метод эффективно применяется в практике акушерства для получения качественных снимков плода, его движений и поведения.

       В последнее  время начал внедрятся метод эластометрии для исследования тканей печени в норме, так и при различных стадиях микроза. Суть метода такова. Датчик устанавливается перпендикулярно поверхности тела. При помощи вибратора, встроенного в датчик, создается низкочастотная ультразвуковая механическая волна (ν=50 Гц, А=1мм), скорость распространения которой по подлежащим тканям печени оценивается при помощи ультразвука с частотой 3,5 МГц ( по сути, осуществляется эхолокация). С использованием формулы для скорости продольной волны

                                           υ = ,

рассчитывается модуль Е (эластичность) ткани. Для пациента проводится серия измерений ( не менее 10) в межреберных промежутках в проекции положения печени. Анализ всех данных происходит автоматически, аппарат выдает количественную оценку эластически (плотности), которая представляется как в числовом, так и в цветном виде.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция № 7

Надежность медицинской аппаратуры. Оценка безопасности и защита от воздействия ультразвуком.

     Медицинскую электронную аппаратуру можно разделить на два класса: медицинские приборы и медицинские аппараты.

     Медицинский  прибор – техническое устройство, предназначенное для диагностических или лечебных измерений (электрокардиограф, медицинский термометр).

     Медицинский  аппарат – техническое устройство, позволяющее создавать энергетическое воздействие (часто дозированное) терапевтического, хирургического или бактерицидного свойства (аппарат УВЧ терапии, аппарат искусственной почки и др.), а также обеспечить сохранение определенного состава некоторых субстанций.

     Выделены следующие основные группы приборов и аппаратов, используемые для медико-биологических целей.

- устройство для получения (съема), передачи и регистрации медико-биологической информации;

- устройство, обеспечивающее  дозирующее воздействие на организм  различных физических факторов  с целью лечения;

- кибернетические  электронные устройства.

    В ряде случаев электронное устройство может совмещать в себе различные группы приборов и аппаратов.

     Медицинская  аппаратура должна функционировать  нормально. Это требование, однако, не всегда выполняется, говоря  точнее, такое требование не может  выполняться сколь угодно долго, если не принимать специальных  мер.

     Врач, использующий  медицинскую аппаратуру, должен  иметь представление о вероятности  отказа эксплуатируемого изделия, т.е. о вероятности порчи прибора  или его частей, превышения или  понижения допустимых параметров. Устройство, не отвечающее техническим  условиям, становится неработоспособным.

    Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение заданного интервала времени характеризуют обобщающим термином надежность.

     Для медицинской аппаратуры проблема надежности особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привести не только к экономическим потерям, но и к гибели пациентов.

     Способность  аппаратуры к безотказной работе  зависит от многих причин, учесть  действие которых практически  невозможно, поэтому количественная  оценка надежности имеет вероятностный  характер. Так, например, важным параметром  является вероятность  безотказной работы. Она оценивается экспериментально отношением числа  N работающих ( не испортившихся) за время t изделий к общему числу No испытывавшихся изделий:

                                                 P(t) = N(t)/ No    ,                (1)

 

Эта характеристика оценивает возможность сохранения изделием работоспособности в заданном интервале времени. Другим количественным показателем надежности является интенсивность отказов λ(t). Этот показатель равен отношению числа отказов dN за время dt к произведению времени dt на общее число N работающих элементов:

                                   λ = ‒ dN/ N dt ,                                (2)

знак  «‒» поставлен в связи с тем, что dN < 0, так как число работающих изделий убывает со временем.

     Функция λ(t) может иметь различный вид. Наиболее характерная ее форма изображена графически на рисунке №1.

                                          Слайд

Здесь заметны три области:

I ‒ период приработки, когда «выжигаются» дефектные элементы изделия, проявляются скрытые пороки, возникающие в процессе изготовления деталей. Интенсивность отказов при этом может быть достаточно велика;

II–период нормальной  эксплуатации, интенсивность отказов  значительное время может сохранять  постоянное значение. На этот  период следует планировать нормальную  эксплуатацию аппаратуры;

I I I ‒ период старения, интенсивность отказов возрастает со временем благодаря влиянию старения материалов и износа элементов.

     Между вероятностью  безотказной работы Р и интенсивностью  отказов λ существует связь. Установим  ее для 2-го периода, λ = const. Запишем дифференциальное уравнение, вытекающее из формулы  (2).

                                              dN/ N = - λ dt                           (3)

интегрируя и подставляя нижние пределы (начальное число No испытывавшихся изделий в момент t=0) и верхние пределы (число N безотказно работающих изделий в момент времени t). Получаем

           

                                     λ ;                             (4)

Так как  N/ No= Р. То имеем:

                                                    Р(t) = ехр (-λt).

     Таким образом, при постоянной интенсивности  отказа вероятность безотказной  работы убывает с течением  времени по экспоненциальному  закону.

     В зависимости  от возможных последствий отказа  в процессе эксплуатации медицинские  изделия подразделяются на 4 класса.

     А – изделия, отказ которых представляет непосредственную  опасность для жизни пациента  и персонала. Вероятность безотказной  работы при этом должна быть  не менее 0.99.

     Б – изделия, отказ которых вызывает искажение  информации о состоянии организма. Вероятность безотказной работы при этом должна быть не менее 0.8.

     В – изделия, отказ которых снижает эффективность  лечебно-диагностического процесса.

     Г – изделия, не содержащие частей, отказ которых  возможен.

     Как научные, так и профессиональные интересы  обязывают ученых выяснить, какую  опасность для пациента и оператора  представляет использование ультразвука.

     В настоящее  время невозможно выделить один  или даже несколько физических  параметров, которые служили бы  в качестве адекватных количественных  характеристик, позволяющих предсказать  конечный биологический эффект.

     В отсутствие  адекватной информации, на основе  которой должны быть установлены  максимально допустимые дозы  при применении ультразвука в  медицине, было бы полезным выдвинуть  некоторые критерии для правильного  применения ультразвука. ряд критериев  может быть обобщен следующим  образом:

1. Оператор должен использовать минимальные интенсивности и экспозиции, позволяющие получить у пациентов желаемый  клинический эффект;
2. Обслуживающий персонал не должен облучаться без необходимости;
3. Все процедуры должны выполняются хорошо обученным персоналом или под его руководством.

     Если следовать этим рекомендациям, то ультразвук можно эффективно использовать в медицине с большой уверенностью в его безопасности. Известно, что при этом запускается цепь сложных физических и химических процессов. Внутриклеточные жидкости меняют электропроводность и кислотность, изменяется проницаемость клеточных мембран. Некоторое представление об этих событиях дает обработка крови ультразвуком. После такой обработки кровь приобретает новые свойства – активизируются защитные силы организма, повышается его сопротивляемость инфекциям, радиации, даже стрессу. Аналогичный эффект наблюдается при аутогемотерапии – вливании человеку небольшой порции его собственной крови.

     Эксперименты  на животных показывают, что ультразвук  не оказывает мутагенного или  канцерогенного действия на клетки  – время его воздействия и  интенсивность настолько незначительны, что такой риск практически  сводится к нулю. Так что все  опасения относительно вредного  влияния ультразвука не имеют  под собой почву. И, тем не менее, врачи, основываясь на многолетнем  опыте использования ультразвука, установили некоторые противопоказания  для ультразвуковой терапии. Это- острые интоксикации, болезни крови, ишемическая болезнь сердца со  стенокардией, тромбофлебит, склонность  к кровотечениям, пониженное артериальное  давление, органические заболевания  центральной нервной системы, выраженные  невротические и эндокринные  расстройства. После многолетних  дискуссий, приняли, что при беременности  ультразвуковое лечение назначать  также не рекомендуется.