Физические основы воздействия звука на биологические ткани. Применение ультразвуковых исследований в медицине

С помощью этого метода можно осуществить регистрацию  функционирования сердечных мышц и  отдельных сердечных клапанов, определить скорость движения крови, а также  в акушерстве установить признаки жизни  у зародыша, так как работу сердца плода можно обнаружить уже на 12-й неделе беременности.

При построении приборов диагностического назначения можно использовать следующие  подходы.

Электроакустический преобразователь  вместе с микрофоном, воспринимающим низкочастотные колебания, располагаются  в одной плоскости в непосредственной близости друг от друга.

Ультразвуковые колебания, частота которых определяется частотой генератора Г, создаются пьезопреобразователем ПЭ. Они проникают в объект измерения и отражаются от структуры, имеющей акустическую неоднородность. Если она движется, то частота отраженного сигнала отличается от частоты падающего на нее ультразвукового акустического сигнала. В результате интерференции падающего и отраженного сигналов образуется сигнал с частотой ∆f. Сигнал с этой частотой преобразуется в электрический сигнал с помощью микрофона М, который усиливается усилителем У. Усиленный акустический сигнал может быть снова преобразован в акустический с помощью динамика Д или может быть измерен с помощью измерителя-регистратора ИР. При этом частотный сигнал, воспринимаемый микрофоном, необходимо преобразовать в напряжение или ток с помощью частотного детектора ЧД.

Недостатком такого решения  будет сильное влияние на низкочастотный микрофон артефактов, обусловленных  перемещением ультразвукового излучателя и низкочастотного микрофона  по поверхности кожного покрова. Кроме того, низкочастотный микрофон будет улавливать шумы, обусловленные  работой мышц и отдельных органов.

Поэтому более предпочтительным выглядит техническое решение, когда  отраженные от объекта ультразвуковые колебания воспринимаются вторым электроакустическим  преобразователем. С помощью средств  электроники частоты зондирующих  и отраженных ультразвуковых колебаний  преобразуются в электрические  сигналы. Их разность будет характеризовать  разность частот А/ что легко зарегистрировать с помощью существующих технических средств, или преобразовать ее в звуковые колебания. Такой подход иллюстрируется структурной схемой .

Электрический сигнал, вырабатываемый электронным генератором 1, преобразуется  в акустические ультразвуковые колебания  в электроакустическом кольцевом  преобразователе 2. Отраженный от перемещающейся акустической неоднородности сигнал воспринимается пьезоэлектрическим электроакустическим  преобразователем 3. Он преобразуется  в электрический сигнал, который  усиливается усилителем 4. После  перемножения сигналов отражения и  возбуждения в перемножителе (смесителе сигналов) 5 суммарный ( f 0 + f 0 ± ∆f ) и разностный сигнал ( f 0 - f 0 ± ∆f ) подаются на фильтр низких частот 6, в котором выделяется разностная частота ∆f. Сигнал ее подается на частотный детектор 7 и регистрирующее устройство 8. Этот сигнал характеризует скорость перемещения акустической неоднородности.

В настоящее время разработаны  специальные интегральные фильтры  для "спектрально-моментной" обработки  сигналов, изготавливаемые на подложках  для интегральных микросхем , что облегчает определение разности частот возбуждения и отраженного сигнала.

В современных ультразвуковых диагностических системах, например, "Сономед 400", имеется доплеровский блок, с помощью которого во время проведения исследований выполняется автоматический расчет кривых скорости кровотока, маркеров систолы и диастолы, таблицы индексов для каждого сердечного цикла, индекса пульсаций для структур головного мозга. В системе AI 5200S доплеровское исследование выполняется с помощью специальных карандашных датчиков, в режиме непрерывного излучения ультразвуковых колебаний (непрерывно волновое доплеровское исследование), а также в режиме воздействия радиоимпульсами (импульсно-волновое доплеровское исследование). В этой системе имеется возможность "наклонять" доплеровский луч нажатием специальной кнопки влево и вправо.

Доплеровские методы ультразвуковой диагностики позволяют оценить  не только скорость движения крови, но и профиль скоростей и наличие турбулентностей при движении. Однако на практике это сделать не так просто, как кажется на первый взгляд. И всегда приходится вводить устройства коррекции, учитывающие особенности измерительных операций и свойства объекта измерений. Так, необходимо учитывать ослабление сигнала в биологических тканях, трудности получения нулевых углов между векторами движения и направлением ультразвуковой волны, неравномерность толщины сосудов и зон движущихся органов, непостоянство их химического состава, а также различие в акустических свойствах различных движущихся акустически неоднородных структур.

При успешном решении этих методических и технических вопросов ультразвуковые доплерографические исследования позволяют получить информацию, важную для диагностики заболевания.

Применение ультразвука  в медицине.

    Ультразвуковое  исследование является методом  медицинской визуализации, который  начал применяться более 40 лет  назад. В настоящее время медицина  уже не представляет свое существование  без данного метода диагностики. 

   Некоторые заболевания  на начальных этапах протекают  незаметно, а позднее обращение  к врачу чревато усложнением  всего лечебного процесса, который  к тому же будет не всегда  эффективен.

   Области применения  ультразвука в медицине чрезвычайно  широки. В диагностических целях  его используют для выявления  заболеваний органов брюшной  полости и почек, органов малого  таза, щитовидной железы, молочных  желез, лимфатической системы,  сердца, сосудов, в акушерской  и педиатрической практике. В  виду физических свойств ультразвука,  недоступными для данного метода  являются органы, содержащие воздух  и костные ткани.

 УЗИ брюшной полости.

   В ходе исследования  брюшной полости оцениваются  размеры органов, их структура,  взаимное расположение, наличие  дополнительных образований, воспалительных  очагов, выявляются изменения, характерные  для хронических заболеваний  и травматических повреждений.

 

   Печень: существуют ультразвуковые признаки следующих поражений - острого и хронического гепатита, цирроза, жировой инфильтрации, вторичных изменений, связанных с заболеваниями сердца, доброкачественных образований (кист, гемангиом, аденом, кальцификатов), паразитарных кист, злокачественных образований (первичного рака, метастазов).

  Желчный пузырь: выявляются аномалии развития пузыря (формы, положения, количества, размеров) и желчевыводящих протоков, желчекаменная болезнь и ее осложнения, воспалительные заболевания (острый и хронический холецистит), полипы, доброкачественные опухолевые поражения, злокачественные поражения.  

  Поджелудочная железа: определяются аномалии развития, воспалительные заболевания: острый панкреатит и его осложнения (псевдокисты, абсцессы, сдавливание желчевыводящих путей, перитониты), хронический панкреатит; неопухолевые поражения (кисты, жировая инфильтрация); опухолевые поражения: доброкачественные, злокачественные.

 Селезенка: наиболее целесообразным ультразвуковое исследование этого органа является при подозрении на пороки развития (полное отсутствие, неправильное расположение, блуждающая селезенка, изменение формы, наличие добавочных селезенок), а также при повреждениях селезенки, которые встречаются в 22% случаев всех травм органов брюшной полости. Кроме того диагностируется увеличение селезенки при воспалительных ее поражениях и при заболеваниях печени, определяются кисты, кальцификаты, инфаркты, абсцессы, опухоли (гемангиомы, лимфангиомы, лимфомы, саркомы, метастатические поражения), изменения при системных заболеваниях крови (лейкозы).

 Забрюшинное пространство: оценка лимфатических узлов.

 Сосуды: оценка расположения магистральных и внутриорганных сосудов, их размеров, состояние просвета.

 УЗИ в акушерстве  и гинекологии.

В настоящие дни эта  область медицины не представляется без ультразвуковых исследований, которые  носят многоплановый характер и  имеют широкие возможности в  диагностике различных заболеваний.

 Акушерство: Приоритетное использование метода в акушерстве связано с отсутствием ионизирующего излучения и возможностью поэтому динамического наблюдения за пациентом. Техническая простота также относится к преимуществам УЗИ. Важной оценкой эффективности данной диагностики является снижение заболеваний и смертности матери и плода, что может быть достигнуто за счет более точного определения срока беременности и родов, выявления аномалий развития плода и многоплодия. Особое место занимает ранняя диагностика внематочной беременности.

 Гинекология: Ультразвуковое исследование позволяет оценить расположение органов, их размеры; выявить изменения, характерные воспалительным заболеваниям матки и яичников; определить наличие дополнительных образований матки и яичников с проведением дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных изменений; произвести точную диагностику миомы матки, внутреннего эндометриоза, патологии эндометрия; производить контроль при проведении гинекологических операций (например в процессе искусственного прерывания беременности у больных миомой матки, биопсии эндометрия, удалении внутриматочной спирали).

 УЗИ в педиатрии.

 В педиатрии используется  весь спектр ультразвуковых исследований как на самых ранних этапах обследования, так и на этапах окончательного установления диагноза. Применение ультразвука в педиатрии обусловлено безвредностью (отсутствие радиационной нагрузки), безболезненностью, неинвазивностью, простотой и экономичностью метода.

 УЗИ в онкологии.

  Ранняя диагностика  злокачественных новообразований  в настоящее время является  одной из самых актуальных  проблем в онкологии. Ультразвуковые  исследования применяют на самом  первом этапе обследования больных  с онкологическим риском.

 Различные ультразвуковые  методики в онкологии используются  для решения следующих задач:

Первичная уточняющая диагностика  опухолевых и неопухолевых заболеваний.

Контроль за результатами химиотерапевтического и/или лучевого лечения.

Выявление рецидивов после  проведенной терапии.

Уточнение местной распространенности и обнаружение метастазов.

Контроль при проведении пункций.

Основные заболевания, выявляемые при ультразвуковом обследовании молочных желез:

Дисплазии (нарушение симметричности, размеров),

Дисгормональные гиперплазии (увеличение желез),

Кисты (типичны для менструирующих женщин в возрасте 30-50 лет),

Расширение млечных протоков,

Острые воспаления (мастит диффузной и узловой формы),

Опухоли: доброкачественные (фиброаденомы составляют 95% всех доброкачественных опухолей у женщин 15-40 лет), злокачественные (из них до 6% составляют метастазы). 

УЗИ почки и  мочевого пузыря.

 Почки: При ультразвуковом обследовании оценивают расположение почек, форму, контуры, размеры, структуру паренхимы, состояние собирательных полостей, наличие дополнительных образований. Основные патологические состояния почек, выявляемые при УЗИ: аномалии количества (отсутствие, удвоение); аномалии положения (опущения, расположение обеих почек на одной стороне); аномалии сращения почек; аномалии величины (врожденное уменьшение размеров); аномалии структуры (мультикистоз, поликистоз, простые кисты); аномалии развития верхних мочевых путей (удвоения чашечно-лоханочной системы и мочеточника и др.); признаки воспалительных заболеваний (острый пиелонефрит, карбункул, абсцесс, туберкулезный процесс); мочекаменная болезнь (в настоящее время УЗИ является наиболее точным методом диагностики почечных камней, так как видны конкременты любого состава, в том числе рентгенонегативные конкременты мочевой кислоты); расширение верхних мочевых путей, закупорка мочевых путей; диффузные заболевания почечной паренхимы; опухоли: доброкачественные (аденомы, ангиомиолипомы), злокачественные.

 Мочевой пузырь: выявляются аномалии развития, камни, опухолевые поражения: доброкачественные и злокачественные (большинство опухолей мочевого пузыря злокачественны и составляют 3% всех злокачественных опухолей, причем соотношение их частоты у мужчин и женщин примерно 6:1).

 УЗИ предстательной железы, семенных пузырьков и органов мошонки.

 Предстательная  железа: ультразвуковое исследование позволяет поставить диагноз острого и хронического простатита, выявить аденому предстательной железы, рак.

 Семенные пузырьки: определяются изменения, характерные для воспалительных заболеваний, опухолевые поражения.

 Органы мошонки: выявляются пороки развития, воспалительные заболевания, кисты, опухоли.

 УЗИ в эндокринологии.

 Надпочечники: являются железами внутренней секреции, поэтому нарушение их функционирования, в том числе и вследствие наличия объемных образований, приводит к серьезным гормональным нарушениям, затрагивающим многие органы и системы. Ультразвуковое исследование позволяет выявить гиперплазию надпочечников, воспалительные изменения, гематомы, кисты, опухоли: доброкачественные (аденомы), злокачественные (саркомы) - и те и другие могут быть гормонально активными и гормонально неактивными, метастатические опухоли.

 Щитовидная железа: Патология щитовидной железы встречается у 8% взрослого населения земного шара (женщины страдают чаще мужчин, в соотношении 3:1). Среди онкологических заболеваний злокачественные опухоли щитовидной железы составляют до 3%.  Ультразвуковая диагностика имеет почти 100% чувствительность в выявлении очагового поражения щитовидной железы, в выявлении рака около 93%.  Щитовидная железа реагирует практически на все виды экологических загрязнений. Важно своевременно выявить различные пограничные патологические состояния, череватые развитием диффузно-токсического зоба, аутоимунного тиреоидита, опухолевых процессов, гипотиреозов и других заболеваний.  Ввиду важности проблемы, разрабатывается национальная государственная программа по исследованию щитовидной железы у всего населения с проведением ежегодной диспансеризации, включающей ультразвуковую диагностику, лабораторные исследования, консультацию специалиста.  При УЗИ щитовидной железы оценивается: железа в целом (расположение, размеры, контуры, форма, структура), внутриорганные изменения (их характер - диффузный или очаговый, расположение, количество образований, контуры, размеры, структура), взаимоотношение щитовидной железы с окружающими структурами.  

Выявляются: аномалии развития (положения и размеров), гиперплазия (диффузная и узловая форма), тиреоидиты (острые и хронические), аденома, злокачественные опухоли.