2018-01-21
424
На практиці ультразвук найчастіше одержують за допомогою магнітострикційних і п'єзоелектричних випромінювачів.
Магнітострикційний випромінювач використовується для отримання низькочастотних ультразвуків (до 200 кГц). Їх дія основана на явищі магнітострикції в змінному магнітному полі. Явище магнітострикції полягає в зміні об'єму і форми феромагнетика при його намагнічуванні. Якщо стержень з феромагнетика (залізо, нікель, залізо-нікельовий сплав або ферити) помістити в магнітне поле соленоїда, то він, у відповідності з частотою зміни напряму поля, буде періодично змінювати свою довжину (скорочуватися або видовжуватися), тобто відбуватимуться магнітострикційні коливання. Кінці стержня будуть випромінювати в середовище ультразвукові коливання. При співпаданні частоти коливань вектора індукції магнітного поля з власною частотою механічних коливань стержня, амплітуда коливань останнього досягає максимального значення (явище резонансу).
П'єзоелектричні випромінювачі використовуються для генерації ультразвуків з частотою більшою 200 кГц. Їх дія основана на явищі п'єзоелектричного ефекту. П'єзоефект спостерігається в кварці (SiO2), титанаті барію (ВаТіО3), сегнетовій солі, турмаліні та в інших речовинах, об'єднаних спільною назвою «п'єзоелектрики». Суть прямого п'єзоефекту полягає в тому, що при механічних деформаціях деяких кристалів в певних напрямках на їх гранях з'являються електричні заряди протилежних знаків. Обернений п'єзоелектричний ефект полягає в зміні лінійних розмірів кристалу п'єзоелектрика під дією змінного електричного поля, тобто відбуваються вимушені механічні коливання п'єзоелектрика. В кристалах існують певні напрямки, які називаються п'єзоелектричною віссю. В напрямку вісі кристали найбільше втискуються і розтягуються, причому їх деформація досягає найбільшого значення при співпаданні частоти коливання напруженості електричного поля з власною частотою механічних коливань п'єзоелектрика (явище резонансу).
В описаних вище методах коливання розмірів робочого тіла випромінювача (кінці стержня або грані кристалу) викликають в пружньому середовищі, яке до них дотикається, повздовжню ультразвукову хвилю.
Рис. 2.
Ультразвукова хвиля при проходженні через межу поділу двох середовищ частково відбивається і частково переходить у друге середовище (рис. 2).
За умови незначної відмінності акустичного опорусередовищ у зоні дії, відбивання ультразвуку на межі цих середовищ незначне. Якщо є велика різниця акустичного опору, то падаюча хвиля повністю відбивається від межі середовищ. Так на межі повітря і біологічних тканин ультразвук відбивається на 99,7%. Цим продиктована основна умова методики ультразвукової терапії — щільний контакт аплікатора з ділянкою тіла, на яку впливають. З цією метою використовують так звані контактні середовища (воду, вазелінову, рослинну олію, гліцерин, мазі), які наносять на зону дії. Оскільки акустичні властивості цих середовищ і біологічних тканин подібні між собою, відбивання ультразвукових хвиль незначне (у межах від 0,1 До 1%).
Відбивання ультразвукових хвиль залежить і від кута їх падіння на зону дії. У разі збільшення кута падіння коефіцієнт відбивання зростає. Чим більше кут падіння відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Він може стати таким, за якого поширення ультразвуку повністю припиняється. Саме тому найліпшою передумовою передачі енергії тканинам є накладання випромінювача до шкіри всією його поверхнею.
Ці явища характеризуються коефіцієнтами відбивання Кв і пропускання Кпр. Вони показують, яку частину інтенсивності падаючого ультразвукового променя Іп становлять інтенсивності Ів і Іпр відповідно відбитого променя і променя, що пройшов у друге середовище:
Ці коефіцієнти залежать від співвідношення акустичних опорів (Z=ρυ) двох середовищ, які межують між собою. Таким чином, на межі поділу двох середовищ відбувається перерозподіл механічної енергії ультразвуку в залежності від акустичної густини середовищ (рис. 3), що лежить в основі ультразвукових методів дослідження у клініці. Основний принцип роботи будь-якого ультразвукового діагностичного приладу полягає у реєстрації відповідними способами відбитих від неоднорідностей внутрішніх органів і тканин організму УЗ променів.
Рис. 3.
Рис. 4.
Випромінювачі(датчики) УЗ відіграють дуже важливу роль в роботі ультразвукової медичної апаратури в цілому. Будова звичайного одноелементного датчика УЗ зображена на рис. 4.
Ультразвукові хвилі, які випромінюються звичайним датчиком, розповсюджуються на певній відстані у вигляді вузького паралельного пучка променів (рис. 5). На відстані УЗ-промені починають відхилятись на деякий кут Θ.
Рис. 5.
Відстань l0 залежить від радіуса датчика і довжини хвилі:
Так, наприклад, при використанні звичайного датчика діаметром 12 мм і частоти ультразвуку 2,22 МГц промені залишаються паралельними на відстані 6 см.
Для зменшення ступеня розходження променів використовують також фокусовані датчики з ультразвуковими лінзами (рис. 6).
Рис. 6.
Використання УЗ-лінз з різною кривизною поверхні дозволяє створювати фокусну зону на різних відстанях від датчиків.
Один і той самий датчик використовується для випромінювання УЗ і для прийняття відбитих від об'єкту УЗ променів. Збудження п'єзоелементів при цьому досягається імпульсними електричними сигналами, які складаються з високочастотних посилок і пауз між ними. В режимі посилки сигналів датчик випромінює УЗ, а в режимі паузи реєструє відбиті промені.
Важливою характеристикою ультразвукових приладів є роздільна здатність, яка визначається границею роздільності. Границя роздільності – мінімальна відстань між двома відбиваючими структурами, від яких можна роздільно зареєструвати два відбитих сигнали. Роздільна здатність залежить від частоти ультразвукових коливань.
Ультразвуковий промінь, який генерується датчиком, має максимальну інтенсивність в центрі пучка (рис. 7). В результаті цього роздільна здатність датчика різна по центру пучка і по його периферії.
Рис. 7.
В медичній практиці використовуються датчики, які генерують різні частоти УЗ (1-10 МГц), мають різний діаметр (0,7-2 см) і фокусну відстань від 6 до 12-14 см.
