Отправить заявку по ремонту ультразвукового датчикаПерейти на главную страницуКарта сайта МедТехник

 

+38 (044) 25325-815-85

Сервисный центр по ремонту ультразвуковых датчиков УЗИ аппаратов и сканеров
Главная > Информатор > История ультразвука

История медицинских ультразвуковых преобразователей


Ультразвуковые волны применяются, как в научных исследованиях, при изучении свойств вещества, так и для и решения самых разнообразных технических задач. Ультразвук отличается от обычных звуков тем, что обладает значительно более короткими длинами волн, которые легче фокусировать и, соответственно, получать более узкое и направленное излучение, то есть сосредотачивать всю энергию ультразвука в нужном направлении и концентрировать её в небольшом объёме. Многие свойства ультразвуковых лучей аналогичны свойствам световых лучей. Но ультразвуковые лучи могут распространяться и в таких средах, которые для световых лучей непрозрачны. Это позволяет использовать ультразвуковые лучи для исследования оптически непрозрачных тел. Получить же ультразвук можно различными способами. Во-первых используя пьезоэлектрический эффект.

В 1880 году французские ученые братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект. Сущность его заключается в том, что если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Следовательно, пьезоэлектричество - это электричество, возникающее в результате механического воздействия на вещество («пьезо» по-гречески означает давить).

Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у горного хрусталя - одной из разновидностей кварца. Кварц широко применяется в науке и технике. Самым замечательным свойством кварца считается пьезоэлектричество. Если пластину, определенным образом вырезанную из кристалла кварца сжимать и разжимать, то на ее гранях будут возникать электрические заряды с противоположными знаками. Чем сильнее сжатие, тем больше заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при её деформации получило название прямого пьезоэлектрического эффекта. Если же к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, она изменит свои размеры. Чем больше заряд, тем сильнее деформируется пластинка. При действии на пластинку переменного электрического поля она сжимается и разжимается в такт изменению знаков приложенного напряжения. Если последнее меняется с ультразвуковой частотой, то и пластинка колеблется также с ультразвуковой частотой, на чем и основано применение кварца для получения ультразвуковых волн. Изменение размеров кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвуковых колебаний, где колебания преобразуются в переменный ток. Но если к такому приемнику приложить переменное напряжение, в полной мере обнаруживается и обратный пьезоэлектрический эффект. В этом случае переменный ток преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как ультразвуковой излучатель. Следовательно, пьезоэлектрический приёмник и излучатель могут быть представлены в виде одного прибора, которым можно поочерёдно излучать и принимать ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем. Пример такого прибора – это ультразвуковой акустический преобразователь используемый для УЗИ - ультразвуковой датчик. Второй способ получения ультразвука – это способ с применением магнитострикционного эффекта.

В 1847 году Дж. Джоуль заметил, что если поместить стержень из ферромагнитного материала в направленное вдоль него магнитное поле, то геометрические размеры стержня изменятся – проще говоря, он деформируется. Это явление называется магнитострикционным эффектом или магнитострикцией. Ферромагнетизм, то есть «железный магнетизм» - это совокупность магнитных свойств железа. Магнитострикционный эффект, как и пьезоэлектрический эффект обратим. Изучение магнитострикционного эффекта важно потому, что магнитострикционные материалы применяются для изготовления различных приборов и устройств, например магнитострикционных излучателей, датчиков для исследования деформации и напряжений в деталях машин и т.п. По сравнению с пьезоэлектрическими, магнитострикционные преобразователи имеют преимущества в том, что у них большие величины относительно деформации, большая механическая прочность, больший срок службы, они менее чувствительны к температурным воздействиям. Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи значительно различаются по принципу действия и конструктивному выполнению. Однако они взаимно дополняют друг друга. Как первые, так и вторые используются в ультразвуковых устройствах и приборах. Пьезоэлектрические преобразователи применяются в тех случаях, когда необходимо получить и принять ультразвуковые колебания сравнительно больших частот – более 100 тысяч герц. Магнитострикционные преобразователи применяются для работы при сравнительно небольших частотах. Ультразвуковые преобразователи (пьезоэлектрические и магнитострикционные) работают от источников питания электрической энергией. Эту задачу выполняют ультразвуковые генераторы, которые подразделяются на машинные и ламповые (полупроводниковые).

Одно из самых основных свойств ультразвука – способность проникать в оптически непрозрачные тела. Именно, благодаря этому свойству, ультразвук завоевывает всё большую значимость в медицине. Так сегодня его используют в кардиологии, хирургии, офтальмологии, стоматологии, нейрохирургии, неврологии. В медицинской ультразвуковой диагностике используется свойство отражения ультразвуковой волны. При прохождении волны через границу раздела сред, обладающих различными акустическими сопротивлениями, ультразвуковая волна частично отражается, что приводит к уменьшению плотности энергии, проходящей во вторую среду. Чем больше различаются акустические сопротивления сред, тем меньшая часть энергии проходит во вторую среду. В тех случаях, когда акустические сопротивления резко различаются, падающая энергия полностью отражается. Чем больше ультразвуковой приёмник примет волн, тем светлее картинка получится. Это очень хорошо можно увидеть при сканировании камней в почках и поджелудочной железе (из-за большой плотности они ярко светятся). Проникая сквозь кожу, ультразвук отражается от каждого органа по-разному. Чем меньше плотность органа, тем большее количество волн поглотится и наоборот, чем плотность органа больше, тем большее количество волн отразится. Степень поглощения зависит также от частоты ультразвукового потока. Чем больше частота, тем больше степень поглощения. В связи с этим в ультразвуковом сканировании для локации глубоко расположенных органов используют ультразвуковые датчики с частотой 2,25-3,5 МГц. Для эхолокации поверхностных органов необходим диапазон частот 5-10 МГц. У кости слишком большая плотность для проникновения в неё ультразвука из-за этого просмотр таких органов, как лёгкие и сердце затруднен, так как их прикрывает грудная клетка. Сканирование лёгких не проводится вообще, а вот сердце сканируют через ребра. Для этого используется небольшой по размеру излучатель, чтобы волны прошли между ребрами. Также, сердце смотрится в «живую», то есть не фиксируется на снимке, а потом изучается (так делают со всеми остальными органами), а врач в реальном времени изучает его, потому как сердце постоянно пульсирует и четкого изображения на снимке не получить. Но при этом можно получить ультразвуковую кардиограмму. Воздух является той средой, которая непреодолима для ультразвуковых колебаний. Для обеспечения плотного контакта сканирующей поверхности датчика на кожные покровы пациента наносят тонкий слой эхопроводящего геля. При его отсутствии используют другие контактные жидкости (вазелиновое масло, глицерин и др.)
Вторая важная область применения ультразвука в медицине – лечение. Лечебное действие ультразвука складывается из трёх
факторов: теплового, механического и физико-химического.
а) Тепловое действие основано на глубоком и равномерном прогревании тканей в результате поглощения ею энергии ультразвукового излучения. Здесь используется ультразвук на больших частотах, чтобы ткани колебались быстрее и соответственно выделялось больше энергии.
б) Механическое действие представляет собой микромассаж клеток и тканей. При этом смещение частиц невелико, скорость их движения также небольшая. В этом случае наоборот используются небольшие частоты.
в) Физико-химическое действие заключается в изменении хода окислительно-восстановительных процессов, ускоренном расщеплении сложных белковых комплексов до обычных органических молекул, активизации ферментов. Благотворное воздействие ультразвука на обмен веществ объясняется, по-видимому, тем же.
Ультразвуковая физиотерапия оказывает обезболивающее, противовоспалительное и тонизирующее действие. Ультразвуковой
микромассаж снимает боль, стимулирует деятельность нервной и эндокринной систем, улучшает функциональное состояние соединительной ткани и усиливает защитные реакции организма. Замечено значительное улучшение функции суставов и мышц. Лечение ультразвуком в некоторых случаях способствует понижению кровяного давления у людей, страдающих гипертонической болезнью. Ультразвук стал надежным помощником врача в лечении многих болезней, в частности артрозов, артритов с, невралгий, невритов, радикулитов.

Трудно представить себе современную медицину без ультразвуковых исследований, практически в каждом лечебном учреждении есть какой-либо ультразвуковой аппарат с датчиками (УЗИ сканер), а ведь ультразвуковое оборудование поступило в распоряжение врачей сравнительно недавно.

В 1958 году в одном из специализированных медицинских англоязычных журналов появилась статья шотландских учёных Брауна, Дональда и Мак-Викара. В этой статье рассматривались перспективы ультразвуковых исследований в медицине. Принято считать, что именно с этого момента и началось развитие ультразвуковой диагностики (УЗД) как таковой.

Исследование с помощью УЗ датчика происходит во время прохождения ультразвуковых волн сквозь исследуемый орган пациента. Проходя через границы между тканями, ультразвук отражается особым образом. Ультразвуковые датчики фиксируют эти отражения, а сам УЗИ аппарат расшифровывает данные и преобразует их в изображение. Ультразвуковые исследования принято делить на несколько видов, самые распространённые из них — сканирование (применяется ультразвуковой сканер, сокращённо — УЗИ сканер) и допплерография (применяется в основном при исследовании кровотока и состояния сосудов).

Современный ультразвуковой аппарат (УЗИ сканер) способен за счет использования всевозможных ультразвуковых датчиков-преобразователей предоставить практически исчерпывающую информацию об объекте исследования, причём исследования, в которых применяется ультразвуковой сканер, не причиняют боли и, что немаловажно, не представляют абсолютно никакой угрозы для жизни пациента.

УЗ-диагностика применяется во многих сферах медицины. УЗ аппарат трудится в кардиологии, гинекологии, офтальмологии. Ультразвуковой сканер также является незаменимым помощником в онкологических, урологических, травматологических отделениях больниц. Нельзя переоценить роль, которую играет УЗИ сканер в диагностике беременности.

Благодаря современным УЗИ-датчикам стала более точной диагностика многих заболеваний на ранней стадии развития, которые раньше диагностировались с трудом. Сверхчувствительные датчики УЗИ распознают артериальную гипертензию, мигрень, нарушение мозгового кровообращения (что помогает предотвратить инсульт). УЗ аппарат поможет врачу также диагностировать поражение венозной системы ишемические поражения артерий, простатиты, нарушения эректильной потенции и многое другое. При обследовании почек УЗИ аппарат позволяет выявить на ранней стадии почечную кисту или гидронефроз.

Современное ультразвуковое оборудование позволяет использовать один УЗ сканер практически во всех областях медицины - меняется только тип ультразвукового датчика. Ультразвуковой сканер становится универсальным благодаря тому, что есть сменные ультразвуковые датчики, которые заменяются легко и быстро.

Ультразвуковые датчики бывают конвексными, микроконвексными, линейными, секторными, доплеровскими и др. УЗИ датчики разных типов применяются в исследованиях и диагностики различных видов заболеваний. Ультразвуковой аппарат оснащают датчиком, который больше всего подходит для данного типа исследования.

Ультразвуковые датчики бывают электронные и механические. Механические датчики сканируют, основываясь на движении излучателя (вращении или качении), которым оснащён ультразвуковой аппарат. В связи с недостатками механического способа, механические датчики сейчас уже ни один УЗИ сканер не использует, они считаются устаревшими. Электронные ультразвуковые датчики производят развёртку, которую потом «расшифровывает» УЗИ аппарат, электронным путём.

Практически каждый современный УЗИ аппарат имеет не только сменные ультразвуковые датчики, но и оснащён компьютером, который помогает медицинскому персоналу в диагностике и исследовании. Мощные микропроцессоры, которыми оборудован ультразвуковой аппарат, обрабатывают данные и выводят конечному пользователю «картинку», адаптированную для человеческого глаза.

 

История применения ультразвука в акушерстве берёт своё начало с июля 1955 года, когда шотландские акушеры Дональд, Мак-Викар и Браун впервые попытались используя ультразвуковую установку, предназначенную для определения наличия трещин в металле исследовать удалённые им ранее опухоли. При этом он обнаружил, что в опухолях различного происхождения возникает различное «эхо». Дональд начал использовать ультразвук не только для выявления опухолей в брюшной полости женщин, но и при обследовании беременных. В медицинских журналах появились статьи и этот метод быстро распространился во всём мире.
С ультразвуковым методом исследования (УЗИ) в клиническом акушерстве произошло то же, что с рентгеновским методом диагностики. Каждый из них в течение первых нескольких лет после открытия начал широко использоваться для диагностики беременности и наблюдения за развитием плода. В 1935 году было сказано, что “наблюдение за внутриутробным развитием плода c помощью рентгеновских лучей так же оправдано, как и при лечении переломов” (Reece, 1935: 489). В 1978 году аналогичное заявление было относительно УЗИ: “Можно утверждать без каких-либо оговорок, что современное акушерство и гинекология не могут практиковать без использования диагностического ультразвука” (Hassani, 1978).
В 1980 г. Campbell & Little, утверждали, что “ультразвук больше не является диагностическим тестом, который применяется лишь в исключительных случаях по клиническим показаниям. В настоящее время он может использоваться при обследовании всех беременных и его следует рассматривать как составную часть наблюдения за внутриутробным развитием плода”. И, действительно, в настоящее время ультразвуковой скрининг широко применяется в течение всей беременности и он очень заинтересовал коммерческие структуры, которые начали активно способствовать его широкому распространению. Вот пример: популярная газетаTimes (Лондон) рекламировало заявление фирмы Toshiba, которая намеревалась разработать “абсолютно безопасное “ диагностическое оборудование, основанное на применении ультразвука.
В настоящее время ультразвуковое исследование является методом медицинской визуализации, без которого не представляет свое существование современная медицина. По информативности в акушерстве нет метода исследования, который мог бы сравниться с ультразвуковой диагностикой. Ультразвуковое исследование стало одним из основных в акушерской практике. Главными достоинствами УЗИ (эхографии), врачи считают высокую информативность, безболезненность и безопасность.
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.
Ультразвуковое исследование является единственным не инвазивным методом выявления пороков развития плода, что позволяет на различных сроках решить вопрос о целесообразности пролонгирования беременности. Помимо стандартного «двухмерного» исследования при беременности используются объемные трехмерное и 4D-УЗИ с применением специализированных 3D и 4D датчиков. Впервые трехмерный УЗИ-аппарат появился в Австрии, в 1989 году. Однако он был далек от совершенства. Качество картинки было очень низкое. Чтобы получить одно статичное трехмерное изображение, необходимо было потратить полчаса. Потому от применения данного метода в ведении беременности решено было отказаться. И только совсем недавно, в 1996 году, благодаря прорыву компьютерных технологий, появился сканер с возможностью трехмерной реконструкции в реальном времени.
Внешне аппараты для двухмерного и трехмерного УЗИ выглядят одинаково. Отличаются они классом оборудования, качеством изображения и наличием специального встроенного модуля и особых объемных ультразвуковых датчиков.
То есть трехмерное УЗИ отличается от двухмерного тем, что расширяет возможности диагностики. Наиболее оптимально - сочетание обоих методов. В этом случае доктор в первую очередь получает всю необходимую информацию при помощи традиционного исследования, дополняя ее с помощью объемного видения.
Физическая основа УЗИ — пьезоэлектрический эффект. При деформации монокристаллов некоторых химических соединений (кварц, титанат бария) под воздействием ультразвуковых волн, на поверхности этих кристаллов возникают противоположные по знаку электрические заряды — прямой пьезоэлектрический эффект. При подаче на них переменного электрического заряда, в кристаллах возникают механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Таким образом, один и тот же пьезоэлемент может быть попеременно то приемником, то источником ультразвуковых волн. Эта часть в ультразвуковых аппаратах называется акустическим преобразователем, трансдюсером или датчиком.
Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Допплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

НАВЕРХНАВЕРХ|   Связаться с нами    |     Отправить нам сообщение     |     Подать заявку на ремонт  |  

Copyright 2011, Сервисный центр, Медтехник.