Физические принципы ультразвуковой диагностики
Ультразвук — это одна из форм механической энергии, имеющая волновую природу. В отличие от электромагнитных волн, в частности рентгеновских лучей, которые широко применяются в медицинской диагностике, ультразвуковые волны распространяются в определенных средах: воде, мягких тканях.
При распространении ультразвуковой волны частицы среды совершают колебания около положения равновесия в продольном направлении.
Колебания частиц среды, сопровождающие процесс распространения ультразвуковой волны, приводят к образованию зон сжатия и растяжения. Расстояние между двумя соседними зонами называется длиной волны. Частота колебаний оценивается за единицу времени. Один цикл колебаний в секунду определяется величиной в 1 Гц. В зависимости от частоты колебаний упругие волны подразделяются на инфразвуковые с частотой ниже 20 Гц, звуковые с частотой от 20 Гц до 20 кГц, ультразвуковые с частотой от 20 кГц до 1000 МГц и гиперзвуковые с частотой свыше 1000 МГц.
В медицинской диагностике используются частоты ультразвуковых волн в диапазоне от 1 до 10 МГц. Более низкие частоты применяются при исследовании головного мозга, поскольку необходимо преодолеть черепную кость, от 3,5 до 5,0 МГц — при исследовании внутренних органов, 7,5 МГц — при исследовании мозга через родничок и близко расположенные к поверхности тела структуры. Последние могут быть оценены и с помощью ультразвука с частотой 10 МГц.
Существует несколько особенностей распространения ультразвуковых волн, которые и явились основным фактором применения ультразвука в диагностических целях. Ультразвуковые волны можно ориентировать в определенном направлении, концентрируя их в узкий пучок. Распространяется волна в биологических средах с характерной для этой среды скоростью, однако эти скорости довольно близки друг к другу, в связи с чем могут быть усреднены.
При конструировании и калибровке диагностической аппаратуры за значение такой скорости принята величина в 1540 м/с. Зная время прохождения ультразвука через определенную ткань или орган, можно определить размеры данного органа, что и заложено в конструкции всех современных ультразвуковых аппаратов.
При попадании ультразвуковой волны на границу раздела двух сред с разными акустическими характеристиками (с различной плотностью) часть волны отражается от препятствия, а часть проходит в следующую среду. Сигнал, отраженный от границы, принято называть эхосигналом.
Принцип регистрации эхосигналов и формирование на их основе изображений сечений исследуемых органов легли в основу ультразвуковой диагностики. Незначительные отличия между акустическими плотностями большинства мягких тканей человека способствуют распространению ультразвуковых волн в заданном направлении.
Величина образующегося эхосигнала определяется не только разницей в плотности граничащих сред, но и углом падения ультразвуковой волны на границу раздела. В случае ее нормального (перпендикулярного) падения эхосигнал отразится в направлении источника ультразвуковой волны, а часть волны, прошедшая в следующую среду, продолжит путь по первоначальному направлению без отклонения. В случае падения ультразвуковой волны под произвольным углом, отличным от нормального, направления отраженной и прошедшей волн изменяются.
Отраженная волна уходит под углом, равным углу падения, а прошедшая волна преломляется под другим углом, в результате чего эхосигнал проходит мимо источника ультразвука.
При переходе в пограничную среду меняется не только направление ультразвуковой волны, но и ее длина, частота же остается прежней, что является причиной возможных артефактов, проявляющихся на сформированной эхограмме.
Если ультразвуковая волна отражается от негладкой поверхности, то звук распространяется в различных направлениях, что называется рассеиванием, наблюдаемым при прохождении ультразвука через неоднородную структуру.
