Ультразвуковой аппарат диагностики остеопороза

5.6 Излучатели и приемники ультразвука

Существует множество устройств-преобразователей, применяемых для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газах, жидкостях и твердых телах. Эти устройства преобразуют тепловую, механическую, электрическую или другие виды энергии в энергию ультразвукового поля.

Наиболее удобными для исследовательских и практических целей в ветеринарии, медицине, экспериментальной биологии и ультразвуковой технологии оказались электроакустические преобразователи, в частности пьезоэлектрические и магнитострикционные. Нашли применение также струйные излучатели - ультразвуковые свистки, преобразующие кинетическую энергию струи газа или жидкости в энергию акустических колебаний. Газоструйные излучатели наиболее эффективны для получения аэрозолей в больших объемах.

Излучатели ультразвука характеризуются мощностью излучения, частотой колебаний, направленностью излучения, коэффициентом полезного действия.

Наибольшее распространение в ультразвуковой медицинской технике получили пьезоэлектрические преобразователи. Позволяя получать акустические колебания в диапазоне частот от нескольких кГц до десятков и сотен МГц, они используются в аппаратах для ультразвуковой терапии, в диагностических приборах, применяемых в медицине и ветеринарии, в устройствах для ультразвуковой стимуляции биотехнологических процессов.

Получение ультразвука базируется нa обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рис. 9). С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьеэоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота транедьюсера (резонансная частота) определяется отношениям скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическим эффекте (рис.10). Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик. Обычно в ультразвуковых приборах для излучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы.

Рис.9. Обратный пьезоэлектрический эффект

Рис.10. Прямой пьезоэлектрический эффект

Измерить параметры ультразвука - его интенсивность, амплитуду колебания, колебательную скорость и ускорение частиц в ультразвуковой волне, а также ультразвуковое давление - можно при помощи специальных устройств - приемников ультразвука. Приемники, размеры которых намного больше длины волны ультразвука, дают усредненные значения измеряемой величины, а структуру ультразвукового поля можно получить лишь с помощью приемников, размеры которых меньше длины волны.

В биомедицинской практике, как правило, учитывают частоту и интенсивность ультразвука, а также форму поля. В биотехнологии при использовании низкочастотного ультразвука измеряют плотность акустической энергии в среде.

В медицине и экспериментальной биологии для воздействия на организм с хирургической или терапевтической целью обычно используют ультразвук с частотами 22, 44, 880 кГц, 2,65 МГц, а также ультразвук более высоких частот в диапазоне 2...10 МГц для применения в диагностике.

Биологическое действие ультразвука весьма существенно зависит от его интенсивности, меняя которую, можно получить любые эффекты - от стимуляции до разрушения. Поэтому выбор, а значит, и измерение интенсивности ультразвука требует особой тщательности.

Для измерения интенсивности ультразвука в разных точках поля и в тех случаях, когда необходимо знать характер быстрых изменений интенсивности ультразвука во времени, используют ультразвуковые приемники-зонды, размеры которых меньше длины волны.

Простейший по конструкции ультразвуковой зонд представляет собой дифференциальную термопару, один из спаев которой сенсибилизирован слоем эпоксидной смолы.

Пьезоэлектрические приемники ультразвука в жидких средах (гидрофоны) значительно превосходят термопарные зонды по многим параметрам. Приемники этого типа преобразуют ультразвуковой сигнал непосредственно в электрический. Их крайне малая инерционность позволяет воспроизводить форму сигнала и, следовательно, получать информацию о его амплитуде, фазе, частоте и спектре.

Одна из простейших конструкций приемника ультразвука с цилиндрическим пьезокерамическим приемным элементом (гидрофона) показана на рис. 11: 1 - никелевая трубочка; 2 - металлизированный внутри и снаружи пьезокерамический цилиндр; 3 - легкоплавкий припой; 4 - изолирующая прокладка; 5 - экранирующая крышка из фольги; 6 - пленка эпоксидного лака.

Рис. 11. Конструкция миниатюрного гидрофона.

6. Ультразвуковые методы диагностики

Диагностические методы, основанные на применении ультразвука, в последнее время широко используются для получения информации о глубинных структурах живых организмов. Ультразвуковые методы применяют для изучения некоторых особенностей строения клеток и клеточных органелл, для оценки механической прочности цитоплазматических мембран. Ультразвуковые методы диагностики безвредны и весьма информативны. Это делает их ведущими среди физических средств интроскопии и функциональной диагностики человека и животных.

История развития методов ультразвуковой диагностики насчитывает немногим более полувека. За этот период развились и выделились в самостоятельные направления: ультразвуковая визуализация внутренних органов, позволяющая обследовать состояние печени, желудка, поджелудочной железы, селезенки, почек, гениталий, ультразвуковая эхокардиография, обеспечивающая диагностику различных пороков сердца, нарушения центральной гемодинамики, а также проведение ряда других кардиологических исследований; эхо-энцефалография - комплекс методов для исследования головного мозга; ультразвуковая остеометрия, дающая возможность исследовать состояние костной структуры без нарушения целостности покровных тканей; ультразвуковая цитолизометрия, позволяющая получать информацию о механических свойствах клеточных мембран и пр.

Методы ультразвуковой диагностики удобно рассматривать, условно разделив их па группы по принципу действия, а также по способу получения и обработки информации.

Ультразвуковые эхо-методы основаны на эффекте отражения ультразвука от границ между тканями с различными акустическими свойствами. Эти методы позволяют дифференцировать мягкие ткани, различающиеся по плотности всего лишь на 0,1 %, тогда как рентгенография, например, дает возможность различать ткани, если плотность одной из них отличается от плотности другой не менее, чем на 10 %.

6.1 Одномерная эхолокация

Наиболее простыми методами ультразвуковой диагностики являются методы, основанные на принципе одномерной (1D) эхолокации (рис. 12). Зондирующий импульс ультразвука, излученный преобразователем, распространяется в ткани до ее границы и, частично отражаясь от этой границы, возвращается к преобразователю. Зондирующие импульсы и принимаемые в промежутках между ними отраженные импульсы отображаются на экране электроннолучевой трубки вертикальными отклонениями (всплесками), расстояние между которыми соответствует глубине, на которой в организме располагаются отражающие препятствия - границы тканей, органов, полостей. Расстояние между излучателем ультразвука (поверхностью (тела) и отражающей преградой S = 2ct_t где с - скорость ультразвука в среде, a t - промежуток времени между моментом излучения ультразвукового импульса и моментом регистрации импульса, отраженного от препятствия.

Рис.12.Принцип одномерной эхолокации.

На рис.12. показан принцип одномерной эхолокации: 1 - генератор импульсов; 2 - эхозонд; 3 - усилитель; 4 - экран ослиццографа; a и b - толщины слоев тканей, и - соответствующие расстояния между импульсами на экране

Амплитуда отраженных сигналов очевидно зависит от различий в акустических импедансах (сс) тканей, на границе между которыми отражается ультразвук. Эти сигналы несут информацию о соотношении в скоростях ультразвука и плотностях граничащих тканей. Изображение на экране электронно-лучевой трубки называют одномерной эхограммой, или регистрацией типа А (от англ. Amplitude отклонение).

Одномерные ультразвуковые эхолокаторы нашли широкое применение, например в диагностике гематом при черепно-мозговых травмах. С помощью данных эхоэнцефалоскопа судят о наличии и величине гематом или других патологических нарушениях.

В настоящее время разработано много моделей ультразвуковых эхолокаторов для определения размеров различных тканей, значительно ускоривших процесс диагностики у людей. Ультразвуковые локаторы безвредны, их использование не связано с болевыми ощущениями и не требует соблюдения условий стерильности.

6.2 Ультразвук в диагностике состояния костной ткани

Прижизненное измерение физических параметров костной ткани оказалось возможным после разработки целого ряда рентгенологических и радиологических методов. Это и рентгенография, дающая размеры и форму кости, и рентгенографическая фотоденситометрия, позволяющая оценивать содержание кальция в костной ткани по рентгенофотометрической плотности, иными словами, но степени почернения рентгенограммы. Этот метод широко применяется в медицине и ветеринарии. Он позволил обнаружить многие общие закономерности, например уменьшение с возрастом содержания кальция и костной ткани, и разработать методы диагностики.

Каждый из указанных методов имеет определенные плюсы, но все они требуют для своей реализации применения ионизирующих излучений, специальной, часто стационарной аппаратуры. Следует также отметить, что, несмотря на меры биологической защиты, использование этих методов сопряжено с опасностью лучевого поражения исследуемою организма и обслуживающего персонала.

Изменения свойств костной ткани, связанные с изменением состава структуры, отражается и на ее акустических параметрах - на коэффициенте поглощения ультразвука и на скорости его распространения в кости. Ослабление ультразвука связано не только с содержанием минеральных веществ, но и со структурированностью костной ткани, расположенной на пути распространения ультразвука. Ослабление проходящего через кость ультразвука заметно зависит от частоты, и в ряде случаев для повышения информативности метода измерения проводят в широком диапазоне частот.

При ультразвуковой диагностике излучатель и приемник ультразвука накладывают через специальную или любую контактную смазку (вазелиновое масло, глицерин и пр.) на поверхность тела перпендикулярно оси кости, стараясь по возможности выбрать место, где слой мягких тканей между костью и поверхностью тела мал.

Ультразвуковой импульс от излучателя распространяется к приемнику не только по костной, но и но мягким тканям .Скорость ультразвука в кости примерно в 1,5-2 раза выше, чем в мягких тканях.

7. Синтез ультразвуковой системы диагностики остеопороза

На основании приведенных выше факторов предлагается структурная схема реализации установки для ультразвуковой диагностики остеопороза.

Основные элементы схемы: Импульсный генератор, который через усилитель подает сигнал на пьезоэлектрический преобразователь (он одновременно является и излучателем, и приемником), который преобразует электрические импульсы в механические колебания (ультразвуковые волны). Через контактную среду волны доходят до исследуемого объекта (на примере - пяточная кость ), частично отражаются и принимаясь пьезоэлектрическим преобразователем через усилитель поступают на устройство отображения, и частично проходят через биологический объект. Прошедший сигнал фиксируется приемником, и через усилитель, также подается на устройство отображения. Анализ этого показателя делается на основе временных запаздываний сигнала. Устройство управления дает возможность синхронизировать работу генератора и устройства отображения. Таким образом, на устройстве отображения мы получаем комплексную картину по пропусканию и отражению ультразвуковых волн.

Параметры диагностического ультразвука:

· Режим - импульсный;

· Частота ультразвука 6 Мгц;

· Интенсивность в импульсе 10 Вт/см²;

· Частота следования импульсов 1-2 кГц;

· Длительность импульсов 1-5 мкс ;

· Усредненная интенсивность 10 мВт/см²;

· Полное время измерения 1-5 мин.

Проведение таким способом диагностики в наиболее характерных для этого заболевания точках (суставах), позволяет обнаружить заболевание на ранних стадиях его развития.

Также важным достоинством данного метода является его относительно невысокая стоимость, портативность (установка включает в себя несколько малогабаритных электронных блоков и небольшую ванночку), объективность (в отличие от многих методов, оценка проводится объективно и не требует большого опыта работы и внимания врача).

8. Расчет генератора синусоидальный колебаний

Предлагаемый генератор гармонических колебаний предназначен для применения в различных радиотехнических устройствах с цифровым управлением. Генератор построен на доступной элементной базе и обеспечивает формирование гармонических колебаний со стабильными параметрами.

Функциональная схема генератора представлена на рис. 10.

Рис. 10. Функциональная схема генератора

Для генерации гармонических колебаний требуется выполнение двух условий:

· баланс амплитуд ;

· баланс фаз .

В качестве усилителя обратной связи К_ос применяют, как правило, инвертор с ц_ос = р. В качестве усилителя К целесообразно использовать полосовой фильтр, обеспечивающий на резонансной частоте необходимый в данном случае фазовый сдвиг ц_k = р. Высокая крутизна фазовой характеристики фильтра в полосе пропускания обеспечивает формирование колебаний со стабильной частотой, а его избирательные свойства - подавление гармоник.

Генератор возбуждается на резонансной частоте полосового фильтра, которая определяется из выражения:

 (8.1)

где R (G) и С - сопротивление (проводимость) и емкость времязадающей цепи.

Из выражения (1) видно, что частота генерации пропорциональна проводимости времязадающей цепи, что обеспечивает линейный закон управления частотой.

Схема генератора гармонических колебаний приведена на рис. 2. На элементах DD1.2-DD1.4 выполнен полосовой фильтр, на элементе DD1.1 - усилитель обратной связи и на элементах DD2.1-DD2.4 и R_M - матрица сопротивлений с цифровым управлением. Структура фильтра позволяет получать на выходах противофазные напряжения, для чего необходимо использовать дополнительно Uвых2. Входы IN 0 и IN 1 являются цифровыми входами управления частотой генерации.

Ниже приведена методика расчета генератора.

1. Зададимся значениями f_min - нижняя частота генерации, - шаг перестройки, - число разрядов двоичного числа сигнала цифрового управления.

2. Принимем С1=С2=С и R7=R5=R.

3. Зададим значение С и из формулы (1) найдем значение R.

4. Определим значение R_M по формуле

(8.2)

5. Определим значение f_max по формуле

(8.3)

6. Определим R3 по формуле

(8.4)

7. Определим R2 из соотношения R2= R3/0,7.

На рис. 2 приведены номиналы элементов, полученные в результате расчета по приведенной методике для f_min =1,5 кГц, Дf =1,5 кГц и n=2.

В общем случае, выходная частота равна

(8.5)

где i - номер входа (разряд управляющего слова); а_i - значение сигнала на входе управления (лог. 1 или лог. 0); n - разрядность управляющего слова.

Сопротивления в матрице проводимостей определяются по формуле:

(8.6)

При необходимости получения непрерывного закона изменения частоты резисторы R_M заменяют сдвоенным потенциометром с сопротивлением Rn и включенным последовательно ему резистором R_доп. Значения этих сопротивлений находим из формул:

В генераторе можно использовать микросхемы К561ЛА7, К561ЛЕ5 при включении по схеме инверторов. При напряжении питания 3 В генератор потребляет ток 1-3 мА.

9. Биологическое действие ультразвука и безопасность

Биологическое действие ультразвука и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Знания о биологическом воздействии ультразвука базируются на изучении механизмов воздействия ультразвука, изучении эффекта воздействия ультразвука на клеточные культуры, экспериментальных исследованиях на растениях, животных и, наконец, на эпидемиологических исследованиях.

Ультразвук может вызывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвукам его частоты. Кавитация -- это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна.

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука в медицине следующее заявление, которое в последний раз было подтверждено в 1993 году: «Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентов или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением (ультразвуком), интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует».

Выводы

Проанализирована проблема остеопороза на сегодняшний день.

Рассмотрены методы диагностики этого заболевания, отмечены их достоинства и недостатки.

Показано, что наиболее информативным и доступным методом на сегодняшний день является ультразвуковая диагностика.

Представлен синтез ультразвуковой установки для диагностики остеопороза и расчет генератора гармонических колебаний.

Перечень ссылок

1. В.Б. Акопян, Ю.А.Ершов. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. - М.: Издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2005. - 225 с.

2. В.В. Митьков. Клиническое руководство по ультразвуковой диагностике. - М.: Видар, 1996. - 322с.

3. Под ред. К.Хилла. Применение ультразвука в медицине. Физические основы. - М.: Мир, 1989. - 562с.

4. В.А. Шутилов. Основы физики ультразвука. - Л.: Издательство Ленинградского университета, 1980. - 280с.

5. Риггз, Б.Лоренц. Остеопороз: этиология, диагностика, лечение. Перевод с англ. И.А.Скрипников. - М.: Бином, 2000. - 558с.

6. Российский конгресс по остеопорозу. - Ярославль, 2005. - 212с.

7. В.В. Поворознюк, Е.П. Подрушняк. Остеопороз на Украине. - К.: 1995. - с.3-47.

8. С.П. Моршнева. Методические рекомендации по диагностике, лечению и профилактике остеопороза. - Одесса, 2010.

Размещено на Allbest.ru