Первые исследования, посвященные использованию ультразвука в медицине начались еще в 18 веке. Но те технологии, которые стали их основой, остаются актуальными и на сегодня. Так, речь идет об акустических волнах, колебания которых человеческое ухо не может ни уловить, ни воспринимать. Ультразвуковые сканеры, что сегодня используются в медицинских целях способны излучать такие волны, получать обратный сигнал и трансформировать его в картинку на мониторе оборудования. Отображение структуры состояния внутренних органов и систем организма человека происходит путем замера временного интервала между подачей звукового сигнала и получением ответа.
Чтобы разобраться более подробно в том, как работают современные УЗИ-аппараты, необходимо познакомиться с тем, что представляет собой звуковая волна и какие характеристики ей присущи. Также распишем то, как формируется сам ультразвук в сканерах и на каком принципе строится изображение на дисплее оборудования.
Особенности и характеристики звуковых волн
Звуковая волна — это механические колебания, распространяющиеся в пространстве. Их излучение напрямую связано с особенностями той среды, в которой они генерируются. Чтобы получить звуковую волну, необходимо взаимодействие материальных предметов: в вакууме звукового излучения не будет. Сам по себе звук имеет волновую природу. Его распространение сопровождается переносом энергии, но без переноса массы.
Выделяют 2 основные разновидности звуковых волн:
-
Продольные. Здесь отдельные частички среды будут колебаться вдоль направления волны, то есть по горизонтали. Подобное явление характерно для жидких, газовых сред, а также мягких тканей человеческого организма.
-
Поперечные. Отдельные элементы таких волн будут находиться в плоскости, перпендикулярной к горизонтальной оси распространения. Такой тип звуковой волны характерен для твердых сред, в том числе и костей.
Основные характеристики звуковых волн
Между собой звуковые волны отличаются разными характеристиками:
-
Амплитуда. Указывает на отклонение физической величины от среднего значения. То есть это высота самого гребня или впадины. Имеет прямую связь с давлением звука.
-
Частота. Это количество колебаний в той или иной волне за единицу времени, в частности за секунду. Измеряется она в герцах.
-
Длина волны. Это расстояние между одной и той же точкой на гребне или впадине волны. Чем ближе они будут находиться друг к другу, тем длина волны будет меньше, но при этом частота окажется выше. И наоборот: больше длина волны — ниже частота.
-
Скорость распространения. Измеряется в м/с и указывает на то, какое расстояние в метрах пройдет волна за 1 секунду времени.
В работу современных УЗИ-сканеров заложена специальная формула, которая позволяет определить длину волны, а на ее основании — размеры и строение тех или иных анатомических структур. Но это будут минимально возможные габариты. Если окажется, что реальные размеры меньше этого показателя, то ультразвук их заметить не сможет.
Как формируется ультразвук в УЗИ-сканерах
Сам же ультразвук, который сегодня используется в медицине — это результат пьезоэлектрического воздействия, то есть способности кристаллов и керамики искажаться при подаче на них напряжения. В результате и формируется ультразвуковая волна, которая также имеет и обратную связь: напряжение в пьезоэлектрическом кристалле, что поддается замеру. Чем выше напряжение, тем с более высокой частотой будет вибрировать кристалл, генерируя высокочастотные колебания в среде, что его окружают.
Одновременно с этим наблюдается и обратная связь: то есть, как только пьезокристалл попадает в поле звуковых волн, передающихся с высокой частотой, он начинает генерировать напряжение. То есть, если его включить в электрическую цепь, то специализированное программное обеспечение будет его обрабатывать, тем самым формируя на экране УЗИ-сканера изображение.
Но чтобы вся эта технология была реализована на практике, необходимо достаточно сложное в техническом плане и дорогостоящее оборудование, соответствующее программное обеспечение. В современном УЗИ-сканере собраны десятки и даже сотни взаимосвязанных компонентов, условно разделенных на отдельные блоки, принимающие непосредственное участие в генерации, преобразовании и передаче тех или иных видов энергии.
Так, в источнике питания генерируется высокое напряжение в соответствии с указанными заранее характеристиками. Далее сигнал под контролем специального программного обеспечения передается на датчик. Его основной рабочий элемент — головка с пьезоэлектрическими кристаллами. Она трансформирует входящее напряжение в ультразвуковые колебания. При помощи акустической линзы, изготовленной из специальных материалов, а также геля, который будет наноситься на кожу пациента, ультразвуковая волна попадает в тело человека. Здесь она будет отражаться от всех поверхностей, что будут встречаться на ее пути и возвращаться обратно. Здесь она снова попадает на кристаллическую решетку пьезоэлементов. Здесь идет обратное преобразование ультразвука в электрическую энергию.
Ввиду того, что мягкие ткани, жидкости и кости по-разному пропускают и отражают ультразвуковую волну, на экране сканера формируется модель изучаемого объекта. Измерения кодируются цветом (зачастую это различные оттенки серого), что позволяет визуализировать тот или иной орган. Так, жидкость или пустоты будут представлены более темными оттенками, вплоть до черного, кости — светлыми (белыми), а мягкие ткани — оттенками серого. Многие современные аппараты при выполнении ряда исследований используют цветное и даже звуковое представление.
Надеемся, что приведенная информация позволит вам понять, как работает современный УЗИ-сканер. А здесь https://vinno.ru/catalog/ можно познакомиться с моделями такого оборудования.