Ultradźwiękowy pomiar prędkości i sprzęt ultradźwiękowy
Szybkość propagacji ultradźwięków w betonie wynosi od 2800 do 4800 m/s, w zależności od jego struktury i wytrzymałości (tab. 2.2.2).
Tabela 2.2.2
| Materiał | ρ, g/cm3 | w p p , m/s |
| Stal | 7.8 | |
| Duraluminium | 2.7 | |
| Miedź | 8.9 | |
| pleksiglas | 1.18 | |
| Szkło | 3.2 | |
| Powietrze | 1,29x10-3 | |
| Woda | 1.00 | |
| Olej transferowy | 0.895 | |
| Parafina | 0.9 | |
| Guma | 0.9 | |
| Granit | 2.7 | |
| Marmur | 2.6 | |
| Beton (ponad 30 dni) | 2.3-2.45 | 2800-4800 |
| Cegła: | ||
| krzemian | 1.6-2.5 | 1480-3000 |
| glina | 1.2-2.4 | 1320-2800 |
| Rozwiązanie: | ||
| cement | 1.8-2.2 | 1930-3000 |
| Limonka | 1.5-2.1 | 1870-2300 |
Pomiar takiej prędkości na stosunkowo małych obszarach (średnio 0,1-1 m) jest stosunkowo złożonym problemem technicznym, który można rozwiązać jedynie za pomocą wysoki poziom rozwój elektroniki radiowej. Spośród wszystkich istniejących metod pomiaru prędkości propagacji ultradźwięków, pod względem możliwości ich zastosowania do badań materiałów budowlanych, można wyróżnić:
metoda interferometru akustycznego;
metoda rezonansowa;
Metoda fali biegnącej;
metoda impulsowa.
Do pomiaru prędkości ultradźwięków w betonie najczęściej stosuje się metodę impulsową. Polega na wielokrotnym wysyłaniu w beton krótkich impulsów ultradźwiękowych o częstotliwości powtarzania 30-60 Hz i pomiarze czasu propagacji tych impulsów na pewnej odległości, zwanej bazą sondowania, tj.
Dlatego w celu wyznaczenia prędkości ultradźwięków konieczne jest zmierzenie odległości, jaką pokonuje impuls (podstawa sondowania) oraz czasu, jaki zajmuje rozchodzenie się ultradźwięków od miejsca emisji do odbioru. Bazę dźwiękową można zmierzyć dowolnym przyrządem z dokładnością do 0,1 mm. Czas propagacji ultradźwięków w większości nowoczesnych urządzeń mierzony jest poprzez wypełnienie bramek elektronicznych impulsami zliczającymi o wysokiej częstotliwości (do 10 MHz), których początek odpowiada momentowi wyemitowania impulsu, a koniec odpowiada momentowi nadejścia przy odbiorniku. Uproszczony schemat funkcjonalny takiego urządzenia pokazano na ryc. 2.2.49.
Schemat działa w następujący sposób. Główny oscylator 1 generuje impulsy elektryczne o częstotliwości od 30 do 50 Hz, w zależności od konstrukcji urządzenia, i uruchamia generator wysokiego napięcia 2, który generuje krótkie impulsy elektryczne o amplitudzie 100 V. Impulsy te wchodzą do emitera , w którym za pomocą efektu piezoelektrycznego przekształcane są w pakiet (od 5 do 15 sztuk) drgań mechanicznych o częstotliwości 60-100 kHz i wprowadzane poprzez smarowanie akustyczne do kontrolowanego produktu. W tym samym czasie otwierają się bramki elektroniczne, które są wypełnione impulsami zliczającymi, a skaner zostaje wyzwolony, rozpoczyna się ruch wiązki elektronów wzdłuż ekranu kineskopu (CRT).
Ryż. 2.2.49. Uproszczony schemat funkcjonalny urządzenia ultradźwiękowego:
1 - główny generator; 2 - generator impulsów elektrycznych wysokiego napięcia; 3 - emiter impulsów ultradźwiękowych; 4 - produkt kontrolowany; 5 - odbiornik; 6 - wzmacniacz; 7 - generator formacji bramek; 8 - generator impulsów zliczających; 9 - skaner; 10 - wskaźnik; 11 - procesor; 12 - blok wprowadzania współczynników; 13 - cyfrowy wskaźnik wartości t,V,R
Fala czołowa pakietu ultradźwiękowych drgań mechanicznych, po przejściu przez kontrolowany produkt o długości L, przebywając w czasie t, wchodzi do odbiornika 5, w którym jest przetwarzana na pakiet impulsów elektrycznych.
Przychodzący impuls impulsów jest wzmacniany we wzmacniaczu 6 i wchodzi do skanera pionowego w celu kontroli wizualnej na ekranie kineskopu, a pierwszy impuls tego impulsu zamyka bramkę, zatrzymując dostęp impulsów zliczających. Bramki elektroniczne były więc otwarte do zliczania impulsów od momentu wyemitowania drgań ultradźwiękowych do momentu ich dotarcia do odbiornika, tj. czas t. Następnie licznik zlicza liczbę impulsów zliczających, które wypełniły bramkę, a wynik jest wyświetlany na wskaźniku 13.
W niektórych nowoczesne sprzęty, takim jak „Pulsar-1.1”, istnieje procesor i jednostka wprowadzania współczynników, za pomocą których rozwiązuje się analityczne równanie zależności „prędkość-wytrzymałość”, a czas t, prędkość V i wytrzymałość betonu R są wyświetlany na wyświetlaczu cyfrowym.
Do pomiaru prędkości propagacji ultradźwięków w betonie i innych materiałach budowlanych w latach 80. produkowano masowo urządzenia ultradźwiękowe UKB-1M, UK-10P, UK-10PM, UK-10PMS, UK-12P, UF-90PTs, Beton-5 , które same dobrze polecają.
na ryc. 2.2.50 przedstawia ogólny widok urządzenia UK-10PMS.
Ryż. 2.2.50. Urządzenie ultradźwiękowe UK-10PMS
Czynniki wpływające na szybkość propagacji ultradźwięków w betonie
Wszystkie materiały w przyrodzie można podzielić na dwie duże grupy, względnie jednorodne io dużym stopniu niejednorodności lub niejednorodności. Stosunkowo jednorodne materiały obejmują materiały takie jak szkło, woda destylowana i inne materiały o stałej gęstości w normalnych warunkach i przy braku wtrąceń powietrza. Dla nich prędkość propagacji ultradźwięków w normalnych warunkach jest prawie stała. W materiałach niejednorodnych, do których należy większość materiałów budowlanych, w tym beton, struktura wewnętrzna, oddziaływanie mikrocząstek i dużych elementów składowych nie jest stałe zarówno pod względem objętości, jak i czasu. W ich strukturze występują mikro- i makropory, pęknięcia, które mogą być suche lub wypełnione wodą.
Wzajemne ułożenie dużych i małych cząstek jest również niestabilne. Wszystko to prowadzi do tego, że gęstość i prędkość propagacji ultradźwięków w nich nie są stałe i wahają się w szerokim zakresie. w tabeli. 2.2.2 pokazuje wartości gęstości ρ i prędkości propagacji ultradźwięków V dla niektórych materiałów.
Następnie rozważymy, jak zmiany parametrów betonu, takich jak wytrzymałość, skład i rodzaj kruszywa grubego, ilość cementu, wilgotność, temperatura oraz obecność zbrojenia wpływają na szybkość propagacji ultradźwięków w betonie. Wiedza ta jest niezbędna do obiektywnej oceny możliwości badania wytrzymałości betonu metodą ultradźwiękową, a także do wyeliminowania szeregu błędów w sterowaniu związanych ze zmianą tych czynników.
Wpływ wytrzymałości betonu
Badania eksperymentalne pokazują, że wraz ze wzrostem wytrzymałości betonu wzrasta prędkość ultradźwięków.
Tłumaczy się to tym, że wartość prędkości, podobnie jak wartość siły, zależy od stanu wiązań wewnątrzstrukturalnych.
Jak widać z wykresu (Rys. 2.2.51), zależność „prędkość-wytrzymałość” dla betonu o różnych składach nie jest stała, z czego wynika, że oprócz wytrzymałości wpływ na tę zależność mają również inne czynniki.
Ryż. 2.2.51. Zależność między prędkością ultradźwiękową V a wytrzymałością R c dla betonów o różnym składzie
Niestety, niektóre czynniki mają większy wpływ na szybkość ultradźwięków niż na siłę, co jest jedną z poważnych wad metody ultradźwiękowej.
Jeśli weźmiemy beton o stałym składzie i zmienimy wytrzymałość przyjmując różne W/C, to wpływ innych czynników będzie stały, a prędkość ultradźwięków będzie się zmieniać tylko od wytrzymałości betonu. W tym przypadku zależność „prędkość-siła” stanie się bardziej wyraźna (rys. 2.2.52).
Ryż. 2.2.52. Zależność „prędkość-wytrzymałość” dla stałego składu betonu, uzyskana w zakładzie wyrobów betonowych nr 1 w Samarze
Wpływ rodzaju i marki cementu
Porównując wyniki badań betonów na zwykłym cemencie portlandzkim i na innych cementach można stwierdzić, że skład mineralogiczny ma niewielki wpływ na zależność „prędkość-wytrzymałość”. Główny wpływ wywiera zawartość krzemianu trójwapniowego oraz stopień zmielenia cementu. Ważniejszym czynnikiem wpływającym na zależność „prędkość-wytrzymałość” jest zużycie cementu na 1 m 3 betonu, tj. jego dawka. Wraz ze wzrostem ilości cementu w betonie prędkość ultradźwięków rośnie wolniej niż wytrzymałość mechaniczna betonu.
Tłumaczy się to tym, że ultradźwięki przechodząc przez beton rozchodzą się zarówno w kruszywie grubym, jak i w części zaprawy łączącej ziarna kruszywa, a jego prędkość w większym stopniu zależy od prędkości propagacji w kruszywie grubym. Jednak wytrzymałość betonu zależy głównie od wytrzymałości składnika zaprawy. Wpływ ilości cementu na wytrzymałość betonu i prędkość ultradźwięków przedstawiono na ryc. 2.2.53.
Ryż. 2.2.53. Wpływ dawki cementu na zależność
„szybkość-siła”
1 - 400 kg / m3; 2 - 350 kg / m3; 3 - 300 kg / m3; 4 - 250 kg / m3; 5 - 200kg/m3
Wpływ stosunku wodno-cementowego
Wraz ze spadkiem W / C odpowiednio wzrasta gęstość i wytrzymałość betonu, wzrasta prędkość ultradźwięków. Wraz ze wzrostem W / C obserwuje się odwrotną zależność. W konsekwencji zmiana W/C nie wprowadza znaczących odchyleń w ustalonej zależności „prędkość-wytrzymałość”. Dlatego przy konstruowaniu krzywych kalibracyjnych dla zmiany wytrzymałości betonu zaleca się stosowanie różnych W/C.
Zobacz wpływoraz ilość grubego kruszywa
Rodzaj i ilość napełniacza gruboziarnistego mają istotny wpływ na zmianę zależności „prędkość-wytrzymałość”. Szybkość rozchodzenia się ultradźwięków w kruszywie, zwłaszcza takim jak kwarc, bazalt, twardy wapień, granit, jest znacznie większa niż prędkość jego propagacji w betonie.
Rodzaj i ilość kruszywa grubego wpływa również na wytrzymałość betonu. Ogólnie przyjmuje się, że im mocniejsze kruszywo, tym wyższa wytrzymałość betonu. Ale czasami trzeba mieć do czynienia z takim zjawiskiem, gdy użycie mniej wytrzymałego tłucznia, ale o szorstkiej powierzchni, pozwala uzyskać beton o wyższej wartości Re niż przy użyciu trwałego żwiru, ale o gładkiej powierzchni.
Na mała zmiana zużycie tłucznia, wytrzymałość betonu nieznacznie się zmienia. Jednocześnie taka zmiana ilości gruboziarnistego wypełniacza ma duży wpływ na szybkość ultradźwięków.
W miarę nasycania betonu kruszonym kamieniem wartość prędkości ultradźwięków wzrasta. Rodzaj i ilość kruszywa grubego wpływa bardziej niż inne czynniki na więź „prędkość – wytrzymałość” (ryc. 2.2.54 - 2.2.56)
Ryż. 2.2.54. Wpływ obecności kruszywa grubego na zależność „prędkość-wytrzymałość”:
1 - kamień cementowy; 2 - beton o uziarnieniu do 30 mm
Ryż. 2.2.55. Zależność „prędkość-wytrzymałość” dla betonów o różnym rozdrobnieniu kruszywa: 1-1 mm; 2-3 mm; 3-7 mm; 4-30mm
Ryż. 2.2.56. Zależność „prędkość-wytrzymałość” dla betonu z wypełniaczem z:
1-piaskowiec; 2-wapień; 3-granit; 4-bazalt
Z wykresów widać, że wzrost ilości kruszonego kamienia na jednostkę objętości betonu lub wzrost prędkości ultradźwięków w nim prowadzi do wzrostu prędkości ultradźwięków w betonie bardziej intensywnie niż wytrzymałości.
Wpływ wilgotności i temperatury
Wilgotność betonu ma niejednoznaczny wpływ na jego wytrzymałość i prędkość ultradźwięków. Wraz ze wzrostem wilgotności betonu wytrzymałość na ściskanie maleje z powodu zmiany wiązań międzykrystalicznych, ale wzrasta prędkość ultradźwięków, ponieważ pory powietrza i mikropęknięcia są wypełnione wodą, a szybciej w wodzie niż w powietrzu.
Temperatura betonu w zakresie 5-40 ° C praktycznie nie ma wpływu na wytrzymałość i szybkość, ale wzrost temperatury stwardniałego betonu poza określony zakres prowadzi do zmniejszenia jego wytrzymałości i szybkości z powodu wzrostu wewnętrznej mikropęknięcia.
W ujemnych temperaturach prędkość ultradźwięków wzrasta z powodu przekształcenia niezwiązanej wody w lód. Dlatego nie zaleca się określania wytrzymałości betonu metodą ultradźwiękową w temperaturze ujemnej.
Propagacja ultradźwięków w betonie
Beton w swojej strukturze jest materiałem niejednorodnym, na który składa się część zaprawowa oraz kruszywo grube. Z kolei część zaprawowa to utwardzony kamień cementowy z wtrąceniem cząstek piasku kwarcowego.
W zależności od przeznaczenia betonu i jego właściwości wytrzymałościowych zmienia się stosunek cementu, piasku, tłucznia i wody. Oprócz zapewnienia wytrzymałości skład betonu zależy od technologii wytwarzania wyrobów żelbetowych. Na przykład przy technologii produkcji kasetowej wymagana jest większa plastyczność mieszanki betonowej, co osiąga się poprzez zwiększone zużycie cementu i wody. W tym przypadku zwiększa się część zaprawy betonu.
W przypadku technologii stołowej, zwłaszcza do natychmiastowego rozbiórki, stosuje się sztywne mieszanki o zmniejszonym zużyciu cementu.
Względna objętość kruszywa grubego w tym przypadku wzrasta. W konsekwencji, przy tych samych właściwościach wytrzymałościowych betonu, jego skład może zmieniać się w szerokich granicach. Na kształtowanie się struktury betonu ma wpływ technologia wytwarzania wyrobów: jakość mieszania mieszanki betonowej, jej transport, zagęszczanie, obróbka termiczna i wilgotnościowa podczas twardnienia. Wynika z tego, że na właściwości stwardniałego betonu wpływa m.in duża liczba czynników, a wpływ jest niejednoznaczny i przypadkowy. Wyjaśnia to wysoki stopień niejednorodności betonu zarówno pod względem składu, jak i właściwości. Niejednorodność i różne właściwości betonu znajdują również odzwierciedlenie w jego właściwościach akustycznych.
Obecnie, pomimo wielu prób, nie opracowano jeszcze jednolitego schematu i teorii propagacji ultradźwięków w betonie, co tłumaczy się ) Przede wszystkim obecność wyżej wymienionych licznych czynników, które w różny sposób wpływają na właściwości wytrzymałościowe i akustyczne betonu. Sytuację tę pogarsza fakt, że nie jest jeszcze zagospodarowany ogólna teoria rozchodzenie się drgań ultradźwiękowych przez materiał o dużym stopniu niejednorodności. Jest to jedyny powód, dla którego prędkość ultradźwięków w betonie określa się, jak dla materiału jednorodnego, za pomocą wzoru
gdzie L jest drogą przebytą przez ultradźwięki, m (podstawa);
t to czas spędzony na przejściu tej ścieżki, μs.
Rozważmy bardziej szczegółowo schemat propagacji pulsacyjnego ultradźwięku przez beton, jak przez niejednorodny materiał. Ale najpierw ograniczymy obszar, w którym nasze rozumowanie będzie zasadne, biorąc pod uwagę skład mieszanki betonowej, która jest najczęściej spotykana w zakładach żelbetowych i na budowach, składająca się z cementu, piasku rzecznego, grubego kruszywa i wody. W tym przypadku przyjmiemy, że wytrzymałość kruszywa grubego jest większa niż wytrzymałość betonu. Dzieje się tak, gdy jako kruszywo grube stosuje się wapień, marmur, granit, dolomit i inne skały o wytrzymałości około 40 MPa. Przyjmijmy warunkowo, że stwardniały beton składa się z dwóch składników: względnie jednorodnej części zaprawy o gęstości ρ i prędkości V oraz grubego kruszywa o ρ i V .
Biorąc pod uwagę powyższe założenia i ograniczenia, stwardniały beton można uznać za ośrodek stały o impedancji akustycznej:
Rozważmy schemat propagacji fali ultradźwiękowej głowicy od nadajnika 1 do odbiornika 2 przez stwardniały beton o grubości L (rys. 2.2.57).
Ryż. 2.2.57. Schemat propagacji fali ultradźwiękowej głowy
w betonie:
1 - emiter; 2 - odbiornik; 3 - warstwa kontaktowa; 4 - propagacja fal w granulkach; 5 - propagacja fali w części rozwiązania
Głowicowa fala ultradźwiękowa z emitera 1 trafia najpierw do warstwy kontaktowej 3 znajdującej się pomiędzy powierzchnią promieniującą a betonem. Aby przejść przez warstwę kontaktową fali ultradźwiękowej, musi być ona wypełniona płynem przewodzącym lub lubrykantem, który jest najczęściej używany jako wazelina techniczna. Po przejściu przez warstwę kontaktową (w czasie t 0) fala ultradźwiękowa ulega częściowemu odbiciu w przeciwnym kierunku, a pozostała część wnika w beton. Im cieńsza warstwa kontaktowa w porównaniu do długości fali, tym mniejsza część fali zostanie odbita.
Po wprowadzeniu grubości betonu fala czołowa zacznie się rozchodzić w zaprawowej części betonu na obszarze odpowiadającym średnicy emitera. Po przejściu pewnej odległości Δ l 1, po czasie Δ t 1 fala głowy na pewien obszar napotyka jeden lub więcej granulek grubego kruszywa, częściowo się od nich odbija, a większość wchodzi do granulek i zaczyna się w nich rozprzestrzeniać. Pomiędzy granulkami fala będzie nadal rozprzestrzeniać się przez część z roztworem.
Biorąc pod uwagę przyjęty warunek, że prędkość ultradźwięków w gruboziarnistym materiale wypełniającym jest większa niż w części zaprawy, odległość d, równa średniej wartości średnicy kruszonego kamienia, fala, która rozchodzi się przez granulki z prędkością V 2 przejdzie jako pierwsza, a fala, która przeszła przez część moździerzową, będzie opóźniona.
Po przejściu przez pierwsze ziarna grubego kruszywa fala zbliży się do styku z częścią zaprawy, częściowo się odbije, a częściowo w nią wejdzie. W tym przypadku granulki, przez które przechodziła fala czołowa, można dalej uważać za elementarne sferyczne źródła promieniowania fali ultradźwiękowej w zaprawę betonową, do której można zastosować zasadę Huygensa.
Po przejściu przez roztwór minimalnej odległości między sąsiednimi granulkami fala czołowa wejdzie w nie i zacznie się przez nie rozchodzić, zamieniając je w kolejne elementarne źródła. Zatem po czasie t, po przejściu całej grubości betonu L i drugiej warstwy kontaktowej 3, fala czołowa trafi do odbiornika 2, gdzie zostanie przetworzona na sygnał elektryczny.
Z rozważanego schematu wynika, że fala czołowa od nadajnika 1 do odbiornika 2 rozchodzi się po drodze przechodzącej przez ziarna kruszywa grubego i część zaprawy łączącą te ziarna, a droga ta jest wyznaczona z warunku minimalnego czasu spędzonego t .
Stąd czas t
gdzie jest czas spędzony na przejściu części zaprawy łączącej granulki;
- czas przejścia przez granulki. Droga L przebyta przez ultradźwięki jest równa
gdzie: jest całkowitą drogą, jaką pokonuje fala czołowa przez część zaprawową;
Całkowita droga przebyta przez falę głowy przez granulki.
Całkowita odległość L, jaką pokona fala dziobowa, może być większa niż odległość geometryczna między nadajnikiem a odbiornikiem, ponieważ fala rozchodzi się po ścieżce maksymalnej prędkości, a nie wzdłuż minimalnej odległości geometrycznej.
Czas przejścia ultradźwięków przez warstwy kontaktowe należy odjąć od całkowitego zmierzonego czasu.
Fale podążające za falą czołową również rozchodzą się po ścieżce maksymalnej prędkości, ale w trakcie swojego ruchu napotkają na fale odbite od granicy między grubymi granulkami kruszywa a częścią zaprawy. Jeśli średnica granulek jest równa długości fali lub jej połowie, wówczas wewnątrz granulki może wystąpić rezonans akustyczny. Efekt interferencji i rezonansu można zaobserwować w analizie spektralnej wiązki fal ultradźwiękowych przechodzących przez beton o różnej wielkości kruszywa.
Rozważany powyżej schemat propagacji fali czołowej ultradźwięków pulsacyjnych obowiązuje tylko dla betonów o właściwościach wskazanych na początku rozdziału, tj. wytrzymałość mechaniczna i szybkość rozchodzenia się ultradźwięków w materiale, z którego otrzymuje się granulat gruboziarnistego kruszywa, przewyższa wytrzymałość i szybkość w zaprawie betonowej. Takie właściwości posiada większość betonów stosowanych w zakładach żelbetowych i na budowach, gdzie stosuje się tłuczeń z wapienia, marmuru, granitu. W przypadku betonu keramzytowego, pianobetonu, betonu z wypełniaczem tufowym schemat propagacji ultradźwięków może być inny.
Słuszność rozważanego schematu potwierdzają eksperymenty. Tak więc z rys. 2.2.54 widać to po dodaniu do części cementowej pewna kwota kruszony kamień, prędkość ultradźwięków wzrasta wraz z niewielkim wzrostem (a czasem spadkiem) wytrzymałości betonu.
na ryc. 2.2.56 można zauważyć, że wraz ze wzrostem prędkości ultradźwięków w materiale grubego kruszywa wzrasta jego prędkość w betonie.
Ten schemat wyjaśnia również wzrost prędkości w betonie z większymi kruszywami (ryc. 2.2.55), ponieważ wraz ze wzrostem średnicy droga ultradźwięków przez materiał kruszywa wydłuża się.
Zaproponowany schemat propagacji ultradźwięków pozwoli na obiektywną ocenę możliwości metody ultradźwiękowej do wykrywania wad i kontroli wytrzymałości betonu.
Rozdział z tomu I podręcznika diagnostyki ultrasonograficznej, napisany przez pracowników Zakładu Diagnostyki Ultrasonograficznej Rosyjskiej Akademii Medycznej Kształcenia Podyplomowego (CD 2001), pod redakcją Mitkova V.V.
(artykuł znaleziony w internecie)
- Właściwości fizyczne ultradźwięków
- Odbicie i rozproszenie
- Czujniki i fala ultradźwiękowa
- Powolne skanowanie urządzeń
- Narzędzia do szybkiego skanowania
- Urządzenia dopplerowskie
- Artefakty
- Kontrola jakości urządzeń ultradźwiękowych
- Biologiczne działanie ultradźwięków a bezpieczeństwo
- Nowe trendy w diagnostyce ultrasonograficznej
- Literatura
- Pytania testowe
WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ULTRADŹWIĘKÓW
Zastosowanie ultrasonografii w diagnostyce medycznej wiąże się z możliwością uzyskiwania obrazów narządów i struktur wewnętrznych. Podstawą metody jest interakcja ultradźwięków z tkankami ludzkiego ciała. Samą akwizycję obrazu można podzielić na dwie części. Pierwsza to napromienianie krótkich impulsów ultradźwiękowych skierowanych w badane tkanki, a druga to tworzenie obrazu na podstawie odbitych sygnałów. Zrozumienie zasady działania ultradźwiękowego aparatu diagnostycznego, znajomość podstaw fizyki ultradźwięków i ich interakcji z tkankami ludzkiego ciała pozwoli uniknąć mechanicznego, nieprzemyślanego użytkowania urządzenia, a co za tym idzie, bardziej kompetentnie podejść do procesu diagnostycznego .
Dźwięk to mechaniczna fala podłużna, w której drgania cząstek leżą w tej samej płaszczyźnie co kierunek rozchodzenia się energii (rys. 1).
Ryż. 1. Wizualne i graficzne przedstawienie zmian ciśnienia i gęstości w fali ultradźwiękowej.
Fala przenosi energię, ale nie materię. W przeciwieństwie do fal elektromagnetycznych (światła, fal radiowych itp.), dźwięk wymaga ośrodka do rozchodzenia się - nie może rozchodzić się w próżni. Jak wszystkie fale, dźwięk można opisać za pomocą szeregu parametrów. Są to częstotliwość, długość fali, prędkość propagacji w ośrodku, okres, amplituda i intensywność. Częstotliwość, okres, amplituda i intensywność są określane przez źródło dźwięku, prędkość propagacji jest określana przez ośrodek, a długość fali jest określana zarówno przez źródło dźwięku, jak i ośrodek. Częstotliwość to liczba pełnych oscylacji (cykli) w okresie 1 sekundy (rys. 2).
Ryż. 2. Częstotliwość fali ultradźwiękowej 2 cykle w ciągu 1 s = 2 Hz
Jednostkami częstotliwości są herce (Hz) i megaherce (MHz). Jeden herc to jedna oscylacja na sekundę. Jeden megaherc = 1000000 herców. Co sprawia, że dźwięk jest „ultra”? To jest częstotliwość. Górna granica słyszalnego dźwięku - 20 000 Hz (20 kiloherców (kHz)) - to dolna granica zakresu ultradźwięków. Ultradźwiękowe lokalizatory nietoperzy działają w zakresie 25÷500 kHz. W nowoczesnych urządzeniach ultradźwiękowych do uzyskania obrazu wykorzystuje się ultradźwięki o częstotliwości 2 MHz i wyższej. Okres to czas potrzebny do uzyskania jednego pełnego cyklu oscylacji (rys. 3).
Ryż. 3. Okres fali ultradźwiękowej.
Jednostkami okresu są sekundy (s) i mikrosekundy (µs). Jedna mikrosekunda to jedna milionowa sekundy. Okres (µs) = 1/częstotliwość (MHz). Długość fali to długość, jaką zajmuje jedna oscylacja w przestrzeni (ryc. 4).
Ryż. 4. Długość fali.
Jednostki miary to metr (m) i milimetr (mm). Szybkość propagacji ultradźwięków to prędkość, z jaką fala przemieszcza się w ośrodku. Jednostkami prędkości rozchodzenia się ultradźwięków są metr na sekundę (m/s) i milimetr na mikrosekundę (mm/µs). Szybkość propagacji ultradźwięków zależy od gęstości i elastyczności ośrodka. Szybkość propagacji ultradźwięków wzrasta wraz ze wzrostem sprężystości i spadkiem gęstości ośrodka. W tabeli 2.1 przedstawiono szybkość propagacji ultradźwięków w niektórych tkankach ludzkiego ciała.
Średnia prędkość propagacji ultradźwięków w tkankach ludzkiego ciała wynosi 1540 m/s - większość ultradźwiękowych urządzeń diagnostycznych jest zaprogramowana na taką prędkość. Prędkość propagacji ultradźwięków (C), częstotliwość (f) i długość fali (λ) są powiązane następującym równaniem: C = f × λ. Ponieważ w naszym przypadku prędkość jest uważana za stałą (1540 m/s), pozostałe dwie zmienne f i λ są odwrotnie proporcjonalne proporcjonalna zależność. Im wyższa częstotliwość, tym krótsza długość fali i mniejsze rozmiary obiekty, które możemy zobaczyć. Kolejnym ważnym parametrem ośrodka jest impedancja akustyczna (Z). Opór akustyczny jest iloczynem wartości gęstości ośrodka i prędkości rozchodzenia się ultradźwięków. Rezystancja (Z) = gęstość (p) × prędkość propagacji (C).
Do uzyskania obrazu w diagnostyce ultrasonograficznej nie stosuje się ultradźwięków, które są emitowane przez głowicę w sposób ciągły (fala stała), lecz ultradźwięki emitowane w postaci krótkich impulsów (impulsowe). Powstaje, gdy na element piezoelektryczny podawane są krótkie impulsy elektryczne. Do scharakteryzowania ultradźwięków pulsacyjnych stosuje się dodatkowe parametry. Częstotliwość powtarzania impulsów to liczba impulsów emitowanych w jednostce czasu (sekunda). Częstotliwość powtarzania impulsów jest mierzona w hercach (Hz) i kilohercach (kHz). Czas trwania impulsu to przedział czasu jednego impulsu (rys. 5).
Ryż. 5. Czas trwania impulsu ultradźwiękowego.
Jest mierzony w sekundach (s) i mikrosekundach (µs). Współczynnik zajętości to ułamek czasu, w którym następuje emisja (w postaci impulsów) ultradźwięków. Długość impulsu przestrzennego (STP) to długość przestrzeni, w której umieszczony jest jeden impuls ultradźwiękowy (ryc. 6).
Ryż. 6. Przestrzenne rozciągnięcie impulsu.
Dla tkanek miękkich długość przestrzenna impulsu (mm) jest równa iloczynowi 1,54 (prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w mm/µs) i liczby oscylacji (cykli) na impuls (n) podzielonej przez częstotliwość w MHz. Lub PPI = 1,54 × n/f. Zmniejszenie długości przestrzennej impulsu można uzyskać (co jest bardzo ważne dla poprawy rozdzielczości osiowej) poprzez zmniejszenie liczby oscylacji w impulsie lub zwiększenie częstotliwości. Amplituda fali ultradźwiękowej to maksymalne odchylenie obserwowanej zmiennej fizycznej od wartości średniej (rys. 7).
Ryż. 7. Amplituda fali ultradźwiękowej
Intensywność ultradźwięków to stosunek mocy fali do powierzchni, na której rozchodzi się strumień ultradźwięków. Mierzy się ją w watach na centymetr kwadratowy (W/cm2). Przy równej mocy promieniowania im mniejszy obszar strumienia, tym większa intensywność. Intensywność jest również proporcjonalna do kwadratu amplitudy. Tak więc, jeśli amplituda podwoi się, to intensywność wzrośnie czterokrotnie. Intensywność jest nierównomierna zarówno na obszarze przepływu, jak i w przypadku ultradźwięków pulsacyjnych w czasie.
Podczas przechodzenia przez dowolne medium nastąpi spadek amplitudy i intensywności sygnału ultradźwiękowego, który nazywa się tłumieniem. Tłumienie sygnału ultradźwiękowego jest spowodowane absorpcją, odbiciem i rozpraszaniem. Jednostką tłumienia jest decybel (dB). Współczynnik tłumienia to tłumienie sygnału ultradźwiękowego na jednostkę długości drogi tego sygnału (dB/cm). Współczynnik tłumienia wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. Średnie współczynniki tłumienia w tkankach miękkich oraz spadek natężenia sygnału echa w zależności od częstotliwości przedstawiono w tabeli 2.2.
REFLEKSJA I ROZPROSZENIE
Kiedy ultradźwięki przechodzą przez tkanki na granicy ośrodków o różnym oporze akustycznym i prędkości ultradźwięków, zachodzą zjawiska odbicia, załamania, rozproszenia i absorpcji. W zależności od kąta mówi się o prostopadłym i ukośnym (pod kątem) padaniu wiązki ultradźwiękowej. Przy prostopadłym padaniu wiązki ultradźwiękowej może ona zostać całkowicie odbita lub częściowo odbita, częściowo przepuszczona przez granicę dwóch ośrodków; w tym przypadku kierunek ultradźwięków przenoszonych z jednego ośrodka do drugiego nie zmienia się (ryc. 8).
Ryż. 8. Prostopadłe padanie wiązki ultradźwiękowej.
Intensywność ultradźwięków odbitych i ultradźwięków, które przeszły przez granicę ośrodków, zależy od początkowego natężenia i różnicy impedancji akustycznych ośrodków. Stosunek intensywności fali odbitej do intensywności fali padającej nazywany jest współczynnikiem odbicia. Stosunek natężenia fali ultradźwiękowej, która przeszła przez granicę ośrodka, do natężenia fali padającej nazywa się współczynnikiem przewodzenia ultradźwięków. Tak więc, jeśli tkanki mają różne gęstości, ale taką samą impedancję akustyczną, nie będzie odbicia ultradźwięków. Z drugiej strony, przy dużej różnicy impedancji akustycznych, intensywność odbicia dąży do 100%. Przykładem tego jest interfejs powietrze/tkanka miękka. Na granicy tych ośrodków następuje niemal całkowite odbicie ultradźwięków. Aby poprawić przewodzenie ultradźwięków w tkankach ludzkiego ciała, stosuje się media łączące (żel). Przy ukośnym padaniu wiązki ultradźwiękowej określa się kąt padania, kąt odbicia i kąt załamania (ryc. 9).
Ryż. 9. Odbicie, załamanie.
Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Refrakcja to zmiana kierunku propagacji wiązki ultradźwiękowej, gdy przekracza ona granicę ośrodków o różnych prędkościach ultradźwięków. Sinus kąta załamania jest równy iloczynowi sinusa kąta padania przez wartość otrzymaną z podzielenia prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w drugim ośrodku przez prędkość w pierwszym. Sinus kąta załamania, a co za tym idzie sam kąt załamania, im większy, tym większa różnica prędkości propagacji ultradźwięków w dwóch ośrodkach. Załamania nie obserwuje się, gdy prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w dwóch ośrodkach są równe lub kąt padania wynosi 0. Mówiąc o odbiciu, należy pamiętać, że w przypadku, gdy długość fali jest znacznie większa niż wymiary nieregularności powierzchni odbijającej zachodzi odbicie lustrzane (opisane powyżej). Jeśli długość fali jest porównywalna z nieregularnościami powierzchni odbijającej lub występuje niejednorodność samego ośrodka, dochodzi do rozpraszania ultradźwięków.
Ryż. 10. Rozproszenie wsteczne.
W przypadku rozpraszania wstecznego (ryc. 10) ultradźwięki odbijają się w kierunku, z którego pochodzi pierwotna wiązka. Intensywność rozproszonych sygnałów wzrasta wraz ze wzrostem niejednorodności ośrodka i wzrostem częstotliwości (tj. spadkiem długości fali) ultradźwięków. Rozpraszanie w stosunkowo niewielkim stopniu zależy od kierunku padającej wiązki, co pozwala na lepszą wizualizację powierzchni odbijających światło, nie mówiąc już o miąższu narządów. Aby odbity sygnał był prawidłowo zlokalizowany na ekranie, konieczna jest znajomość nie tylko kierunku emitowanego sygnału, ale także odległości do reflektora. Odległość ta jest równa 1/2 iloczynu prędkości ultradźwięków w ośrodku i czasu między emisją a odbiorem odbitego sygnału (rys. 11). Iloczyn prędkości i czasu dzieli się na pół, ponieważ ultradźwięki przechodzą podwójną drogę (od emitera do reflektora iz powrotem), a nas interesuje tylko odległość od emitera do reflektora.
Ryż. 11. Pomiar odległości za pomocą ultradźwięków.
CZUJNIKI I FALE ULTRADŹWIĘKOWE
Do uzyskania ultradźwięków wykorzystywane są specjalne przetworniki, które zamieniają energię elektryczną na energię ultradźwiękową. Wytwarzanie ultradźwięków opiera się na odwrotnym efekcie piezoelektrycznym. Istota efektu polega na tym, że jeśli do pewnych materiałów (piezoelektryków) zostanie przyłożone napięcie elektryczne, to zmieni się ich kształt (ryc. 12).
Ryż. 12. Odwrotny efekt piezoelektryczny.
W tym celu w urządzeniach ultradźwiękowych najczęściej stosuje się sztuczne materiały piezoelektryczne, takie jak cyrkonian ołowiu czy tytanian ołowiu. W przypadku braku prądu element piezoelektryczny powraca do swojego pierwotnego kształtu, a po zmianie biegunowości kształt ponownie się zmieni, ale w przeciwnym kierunku. Jeśli do elementu piezoelektrycznego zostanie przyłożony szybki prąd przemienny, wówczas element zacznie się kurczyć i rozszerzać (tj. Oscylować) z wysoką częstotliwością, generując pole ultradźwiękowe. Częstotliwość pracy przetwornika (częstotliwość rezonansowa) jest określona przez stosunek prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w elemencie piezoelektrycznym do dwukrotności grubości tego elementu piezoelektrycznego. Detekcja sygnałów odbitych oparta jest na bezpośrednim efekcie piezoelektrycznym (rys. 13).
Ryż. 13. Bezpośredni efekt piezoelektryczny.
Sygnały powracające powodują oscylacje elementu piezoelektrycznego i pojawienie się na jego powierzchniach zmiennego prądu elektrycznego. W tym przypadku element piezoelektryczny działa jak czujnik ultradźwiękowy. Zwykle te same elementy są stosowane w urządzeniach ultradźwiękowych do emitowania i odbierania ultradźwięków. Dlatego terminy „przetwornik”, „przetwornik”, „czujnik” są synonimami. Czujniki ultradźwiękowe są urządzeniami złożonymi iw zależności od sposobu skanowania obrazu dzielą się na czujniki do urządzeń skanujących wolno (pojedynczy element) i szybko skanujących (skanowanie w czasie rzeczywistym) – mechanicznych i elektronicznych. Czujniki mechaniczne mogą być jedno- i wieloelementowe (pierścieniowe). Omiatanie wiązki ultradźwiękowej można osiągnąć poprzez kołysanie elementu, obracanie elementu lub kołysanie zwierciadłem akustycznym (ryc. 14).
Ryż. 14. Czujniki sektora mechanicznego.
Obraz na ekranie w tym przypadku ma postać sektora (czujniki sektorowe) lub koła (czujniki kołowe). Czujniki elektroniczne są wieloelementowe iw zależności od kształtu powstającego obrazu mogą być sektorowe, liniowe, wypukłe (wypukłe) (ryc. 15).
Ryż. 15. Elektroniczne czujniki wieloelementowe.
Przemiatanie obrazu w czujniku sektorowym uzyskuje się poprzez wychylanie wiązki ultradźwiękowej z jednoczesnym jej ogniskowaniem (ryc. 16).
Ryż. 16. Elektroniczny czujnik sektorowy z fazowaną anteną.
W czujnikach liniowych i wypukłych przemiatanie obrazu uzyskuje się poprzez wzbudzenie grupy elementów ich stopniowym ruchem wzdłuż szyku antenowego z jednoczesnym ogniskowaniem (rys. 17).
Ryż. 17. Elektroniczny czujnik liniowy.
Czujniki ultradźwiękowe różnią się od siebie szczegółami, ale ich schemat ideowy przedstawiono na rysunku 18.
Ryż. 18. Czujnik ultradźwiękowy.
Jednoelementowy przetwornik w postaci dysku w trybie promieniowania ciągłego wytwarza pole ultradźwiękowe, którego kształt zmienia się w zależności od odległości (rys. 19).
Ryż. 19. Dwa pola nieogniskowanego przetwornika.
Czasami można zaobserwować dodatkowe „przepływy” ultradźwiękowe, zwane płatami bocznymi. Odległość od dysku do długości bliskiego pola (strefy) nazywana jest strefą bliską. Strefa poza granicą bliskiego nazywana jest daleką. Długość strefy bliskiej jest równa stosunkowi kwadratu średnicy przetwornika do 4 długości fal. W strefie dalekiej zwiększa się średnica pola ultradźwiękowego. Miejsce największego zwężenia wiązki ultradźwiękowej nazywane jest ogniskiem, a odległość między przetwornikiem a obszarem ogniskowania nazywana jest ogniskową. istnieje różne drogi ogniskowanie wiązki ultradźwiękowej. Najprostszą metodą ogniskowania jest soczewka akustyczna (ryc. 20).
Ryż. 20. Ogniskowanie soczewką akustyczną.
Dzięki niemu można skupić wiązkę ultradźwięków na określonej głębokości, która zależy od krzywizny soczewki. Ta metoda ustawiania ostrości nie pozwala na szybką zmianę ogniskowej, co jest niewygodne praktyczna praca. Innym sposobem na skupienie jest użycie lustra akustycznego (ryc. 21).
Ryż. 21. Ogniskowanie zwierciadłem akustycznym.
W tym przypadku zmieniając odległość zwierciadła od przetwornika zmienimy ogniskową. W nowoczesnych urządzeniach z wieloelementowymi czujnikami elektronicznymi ogniskowanie opiera się na ogniskowaniu elektronicznym (ryc. 17). Dzięki elektronicznemu systemowi ustawiania ostrości ogniskową możemy zmieniać z poziomu deski rozdzielczej, jednak dla każdego zdjęcia będziemy mieli tylko jedno pole ostrości. Ponieważ do pozyskiwania obrazu wykorzystywane są bardzo krótkie impulsy ultradźwiękowe emitowane z częstotliwością 1000 razy na sekundę (częstotliwość powtarzania impulsów 1 kHz), przez 99,9% czasu urządzenie pracuje jako odbiornik echa. Mając taki margines czasu, można zaprogramować urządzenie w taki sposób, aby podczas pierwszej akwizycji obrazu wybrana została strefa ostrości bliskiej (rys. 22) i zapisana została informacja odebrana z tej strefy.
Ryż. 22. Metoda dynamicznego ogniskowania.
Dalej - wybór następnego obszaru ostrości, uzyskanie informacji, zapisanie. Itp. Rezultatem jest złożony obraz, który jest skupiony na całej głębokości. Należy jednak zauważyć, że ta metoda ogniskowania wymaga znacznej ilości czasu do uzyskania jednego obrazu (klatki), co powoduje spadek liczby klatek na sekundę i migotanie obrazu. Dlaczego tak wiele wysiłku wkłada się w skupienie wiązki ultradźwiękowej? Faktem jest, że im węższa wiązka, tym lepsza rozdzielczość boczna (boczna, azymutalna). Rozdzielczość poprzeczna to minimalna odległość między dwoma obiektami położonymi prostopadle do kierunku propagacji energii, które są prezentowane na ekranie monitora jako osobne struktury (rys. 23).
Ryż. 23. Metoda dynamicznego ogniskowania.
Rozdzielczość poprzeczna jest równa średnicy wiązki ultradźwiękowej. Rozdzielczość osiowa to minimalna odległość między dwoma obiektami położonymi wzdłuż kierunku propagacji energii, które są prezentowane na ekranie monitora jako osobne struktury (rys. 24).
Ryż. 24. Rozdzielczość osiowa: im krótszy impuls ultradźwiękowy, tym lepiej.
Rozdzielczość osiowa zależy od przestrzennego zasięgu impulsu ultradźwiękowego – im krótszy impuls, tym lepsza rozdzielczość. W celu skrócenia impulsu stosuje się zarówno mechaniczne, jak i elektroniczne tłumienie drgań ultradźwiękowych. Z reguły rozdzielczość osiowa jest lepsza niż rozdzielczość poprzeczna.
WOLNE URZĄDZENIA SKANOWAJĄCE
Obecnie powolne (ręczne, złożone) urządzenia skanujące mają znaczenie wyłącznie historyczne. Moralnie wymarli wraz z pojawieniem się szybkich urządzeń skanujących (urządzeń działających w czasie rzeczywistym). Jednak ich główne komponenty są zachowane również w nowoczesnych urządzeniach (oczywiście z wykorzystaniem nowoczesnej bazy elementów). Serce jest głównym generatorem impulsów (w nowoczesnych urządzeniach jest to potężny procesor), który steruje wszystkimi układami urządzenia ultradźwiękowego (ryc. 25).
Ryż. 25. Schemat blokowy skanera ręcznego.
Generator impulsów wysyła impulsy elektryczne do przetwornika, który generuje impuls ultradźwiękowy i wysyła go do tkanki, odbiera odbite sygnały, zamieniając je na wibracje elektryczne. Te oscylacje elektryczne są następnie przesyłane do wzmacniacza częstotliwości radiowej, który jest zwykle podłączony do regulatora wzmocnienia amplitudy czasowej (TAGU) – regulatora kompensacji absorpcji tkanek w głębi. Ponieważ tłumienie sygnału ultradźwiękowego w tkankach odbywa się zgodnie z prawem wykładniczym, jasność obiektów na ekranie maleje stopniowo wraz ze wzrostem głębokości (ryc. 26).
Ryż. 26. Kompensacja wchłaniania tkankowego.
Używając wzmacniacza liniowego, tj. wzmacniacz proporcjonalnie wzmacniający wszystkie sygnały nadmiernie wzmocniłby sygnały w bezpośrednim sąsiedztwie czujnika, próbując poprawić wizualizację głębokich obiektów. Zastosowanie wzmacniaczy logarytmicznych rozwiązuje ten problem. Sygnał ultradźwiękowy jest wzmacniany proporcjonalnie do czasu opóźnienia jego powrotu - im później powrócił, tym silniejsze wzmocnienie. W ten sposób użycie TVG pozwala uzyskać na ekranie obraz o tej samej jasności w głębi. Wzmocniony w ten sposób sygnał elektryczny o częstotliwości radiowej jest następnie podawany do demodulatora, gdzie jest prostowany i filtrowany, a następnie ponownie wzmacniany we wzmacniaczu wideo jest podawany na ekran monitora.
Aby zapisać obraz na ekranie monitora, wymagana jest pamięć wideo. Można go podzielić na analogowy i cyfrowy. Pierwsze monitory pozwalały na prezentację informacji w postaci analogowej bistabilnej. Urządzenie zwane dyskryminatorem umożliwiało zmianę progu dyskryminacji – sygnały o natężeniu poniżej progu dyskryminacji nie przechodziły przez niego, a odpowiednie sekcje ekranu pozostawały ciemne. Sygnały, których intensywność przekraczała próg dyskryminacji, były prezentowane na ekranie jako białe kropki. W tym przypadku jasność kropek nie zależała od bezwzględnej wartości natężenia odbitego sygnału – wszystkie białe kropki miały taką samą jasność. Przy tej metodzie prezentacji obrazu - nazwano ją "bistabilną" - granice narządów i struktur o wysokim współczynniku odbicia (np. zatoki nerkowej) były wyraźnie widoczne, jednak nie można było ocenić budowy narządów miąższowych. Pojawienie się w latach 70. urządzeń umożliwiających przesyłanie cieni na ekran monitora szary kolor, zapoczątkowało erę instrumentów w skali szarości. Urządzenia te umożliwiły uzyskanie informacji nieosiągalnych przy użyciu urządzeń z bistabilnym obrazem. Rozwój techniki komputerowej i mikroelektroniki szybko umożliwił przejście od obrazów analogowych do cyfrowych. Obrazowanie cyfrowe w urządzeniach ultradźwiękowych są one formowane na dużych matrycach (zwykle 512 × 512 pikseli) o liczbie stopni szarości 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bitów). Podczas renderowania do głębokości 20 cm na matrycy 512 × 512 pikseli, jeden piksel będzie odpowiadał wymiarowi liniowemu 0,4 mm. W nowoczesnych instrumentach istnieje tendencja do zwiększania rozmiaru wyświetlaczy bez utraty jakości obrazu, aw instrumentach średniej klasy ekrany 12-calowe (o przekątnej 30 cm) stają się powszechne.
Kineskop urządzenia ultradźwiękowego (wyświetlacza, monitora) wykorzystuje ostro skupioną wiązkę elektronów do wytworzenia jasnego punktu na ekranie pokrytym specjalnym luminoforem. Za pomocą odchylających się płytek, miejsce to można przesuwać po ekranie.
Na Typ Sweep (amplituda) na jednej osi nanoszona jest odległość od czujnika, na drugiej intensywność odbitego sygnału (ryc. 27).
Ryż. 27. Przemiatanie sygnału typu A.
W nowoczesnych instrumentach przemiatanie typu A praktycznie nie jest używane.
typ B scan (Jasność - jasność) pozwala uzyskać wzdłuż linii skanowania informację o natężeniu odbitych sygnałów w postaci różnicy jasności poszczególnych punktów tworzących tę linię.
Przykład ekranu: przeciągnięcie w lewo B, po prawej - M i kardiogram.
typu M (czasem TM) przemiatanie (Motion - ruch) pozwala zarejestrować ruch (ruch) odbijających struktur w czasie. W tym przypadku pionowe przemieszczenia struktur odbijających są rejestrowane w postaci punktów o różnej jasności, a poziomo - przesunięcie położenia tych punktów w czasie (ryc. 28).
Ryż. 28. Przemiatanie typu M.
Aby uzyskać dwuwymiarowy obraz tomograficzny, konieczne jest w taki czy inny sposób przesunięcie linii skanowania wzdłuż płaszczyzny skanowania. W wolno skanujących urządzeniach osiągnięto to poprzez ręczne przesuwanie czujnika wzdłuż powierzchni ciała pacjenta.
SZYBKIE URZĄDZENIA SKANUJĄCE
Szybkie skanery lub, jak się je powszechnie nazywa, skanery działające w czasie rzeczywistym, całkowicie zastąpiły teraz wolne lub ręczne skanery. Wynika to z szeregu zalet, jakie posiadają te urządzenia: możliwość oceny ruchu narządów i struktur w czasie rzeczywistym (tj. prawie w tym samym momencie); gwałtowny spadek czasu poświęcanego na badania; możliwość prowadzenia badań przez małe okienka akustyczne.
Jeśli urządzenia wolno skanujące można porównać do kamery (uzyskującej nieruchomy obraz), to urządzenia pracujące w czasie rzeczywistym można porównać do kina, gdzie nieruchome obrazy (klatki) wymieniają się z dużą częstotliwością, tworząc wrażenie ruchu.
W szybkich urządzeniach skanujących, jak wspomniano powyżej, stosuje się mechaniczne i elektroniczne czujniki sektorowe, elektroniczne czujniki liniowe, elektroniczne czujniki wypukłe (wypukłe) i mechaniczne czujniki promieniowe.
Jakiś czas temu na wielu urządzeniach pojawiły się czujniki trapezowe, których pole widzenia miało kształt trapezu, jednak nie wykazywały one przewagi nad czujnikami wypukłymi, ale same miały szereg wad.
Obecnie najlepszym czujnikiem do badania narządów jamy brzusznej, przestrzeni zaotrzewnowej i miednicy małej jest czujnik wypukły. Ma stosunkowo małą powierzchnię styku i bardzo duże pole widzenia w strefie środkowej i dalekiej, co ułatwia i przyspiesza badanie.
Podczas skanowania wiązką ultradźwiękową wynik każdego pełnego przejścia wiązki nazywany jest ramką. Ramka jest utworzona z dużej liczby pionowych linii (ryc. 29).
Ryż. 29. Tworzenie obrazu za pomocą oddzielnych linii.
Każda linia to co najmniej jeden impuls ultradźwiękowy. Częstotliwość powtarzania impulsów dla uzyskania obrazu w skali szarości w nowoczesnych instrumentach wynosi 1 kHz (1000 impulsów na sekundę).
Istnieje zależność między częstotliwością powtarzania impulsów (PRF), liczbą linii tworzących ramkę a liczbą ramek na jednostkę czasu: PRF = liczba linii × liczba klatek na sekundę.
Na ekranie monitora jakość wynikowego obrazu będzie determinowana w szczególności gęstością linii. W przypadku czujnika liniowego gęstość linii (linie/cm) to stosunek liczby linii tworzących ramkę do szerokości części monitora, na której tworzony jest obraz.
W przypadku czujnika sektorowego gęstość linii (linie/stopień) to stosunek liczby linii tworzących ramkę do kąta sektora.
Im wyższa częstotliwość odświeżania ustawiona w urządzeniu, tym mniejsza liczba linii tworzących ramkę (przy danej częstotliwości powtarzania impulsów), tym mniejsze zagęszczenie linii na ekranie monitora, a tym samym gorsza jakość uzyskanego obrazu. Ale przy dużej liczbie klatek na sekundę mamy dobrą rozdzielczość czasową, co jest bardzo ważne w badaniach echokardiograficznych.
URZĄDZENIA DOPPLEROGRAFICZNE
Metoda badań ultradźwiękowych pozwala nie tylko na uzyskanie informacji o stanie strukturalnym narządów i tkanek, ale także na scharakteryzowanie przepływów w naczyniach. Zdolność ta opiera się na efekcie Dopplera – zmianie częstotliwości odbieranego dźwięku podczas ruchu względem ośrodka źródła lub odbiornika dźwięku lub ciała rozpraszającego dźwięk. Obserwuje się to dzięki temu, że prędkość propagacji ultradźwięków w każdym jednorodnym ośrodku jest stała. Dlatego, jeśli źródło dźwięku porusza się ze stałą prędkością, fale dźwiękowe emitowane w kierunku ruchu wydają się być skompresowane, zwiększając częstotliwość dźwięku. Fale promieniowały w przeciwnym kierunku, jakby rozciągnięte, powodując spadek częstotliwości dźwięku (ryc. 30).
Ryż. 30. Efekt Dopplera.
Porównując pierwotną częstotliwość ultradźwięków ze zmodyfikowaną, można wyznaczyć przesunięcie Dollera i obliczyć prędkość. Nie ma znaczenia, czy dźwięk jest emitowany przez poruszający się obiekt, czy obiekt odbija fale dźwiękowe. W drugim przypadku źródło ultradźwięków może być nieruchome (czujnik ultradźwiękowy), a poruszające się erytrocyty mogą pełnić rolę reflektora fal ultradźwiękowych. Przesunięcie Dopplera może być dodatnie (jeśli reflektor porusza się w kierunku źródła dźwięku) lub ujemne (jeśli reflektor oddala się od źródła dźwięku). W przypadku, gdy kierunek padania wiązki ultradźwiękowej nie jest równoległy do kierunku ruchu reflektora, należy skorygować przesunięcie Dopplera o cosinus kąta q między wiązką padającą a kierunkiem ruchu reflektora reflektor (ryc. 31).
Ryż. 31. Kąt między padającą wiązką a kierunkiem przepływu krwi.
Aby uzyskać informacje Dopplera, stosuje się dwa rodzaje urządzeń - stałą falę i pulsację. W instrumencie Dopplera z falą ciągłą przetwornik składa się z dwóch przetworników: jeden z nich stale emituje ultradźwięki, drugi stale odbiera sygnały odbite. Odbiornik określa przesunięcie Dopplera, które zazwyczaj wynosi -1/1000 częstotliwości źródła ultradźwięków (zakres słyszalny) i przesyła sygnał do głośników i równolegle do monitora w celu jakościowej i ilościowej oceny kształtu fali. Urządzenia o stałej fali wykrywają przepływ krwi na prawie całej ścieżce wiązki ultradźwiękowej, czyli innymi słowy, mają dużą objętość kontrolną. Może to spowodować uzyskanie nieodpowiednich informacji, gdy kilka naczyń wejdzie do objętości kontrolnej. Jednak duża objętość kontrolna jest przydatna do obliczania spadku ciśnienia w zwężeniu zastawki.
Aby ocenić przepływ krwi w określonym obszarze, konieczne jest umieszczenie objętości kontrolnej w badanym obszarze (na przykład wewnątrz określonego naczynia) pod kontrolą wizualną na ekranie monitora. Można to osiągnąć za pomocą urządzenia pulsacyjnego. Istnieje górna granica przesunięcia Dopplera, którą można wykryć za pomocą przyrządów pulsacyjnych (czasami nazywana granicą Nyquista). Jest to około 1/2 częstotliwości powtarzania impulsów. Po jego przekroczeniu widmo Dopplera ulega zniekształceniu (aliasing). Im wyższa częstotliwość powtarzania impulsów, tym większe przesunięcie Dopplera można określić bez zniekształceń, ale tym mniejsza jest czułość przyrządu na przepływy o małej prędkości.
Ze względu na to, że impulsy ultradźwiękowe kierowane do tkanek zawierają oprócz głównej, dużą liczbę częstotliwości, a także z uwagi na to, że prędkości poszczególnych odcinków przepływu nie są takie same, impuls odbity składa się z dużej liczbę różnych częstotliwości (ryc. 32).
Ryż. 32. Wykres widma impulsu ultradźwiękowego.
Korzystając z szybkiej transformaty Fouriera, skład częstotliwości impulsu można przedstawić jako widmo, które można wyświetlić na ekranie monitora jako krzywą, na której częstotliwości przesunięcia Dopplera są wykreślone poziomo, a amplituda każdej składowej jest wykreślona pionowo. Z widma Dopplera można wyznaczyć dużą liczbę parametrów prędkości przepływu krwi (prędkość maksymalna, prędkość na końcu rozkurczu, prędkość średnia itp.), jednak wskaźniki te są zależne od kąta, a ich dokładność w dużej mierze zależy od dokładność korekty kąta. A jeśli w dużych naczyniach niekrętych korekcja kąta nie sprawia problemów, to w małych naczyniach krętych (guzowych) dość trudno jest określić kierunek przepływu. Aby rozwiązać ten problem, zaproponowano szereg wskaźników prawie niezależnych od węgla, z których najczęstszymi są wskaźnik oporu i wskaźnik pulsacji. Wskaźnik oporu to stosunek różnicy między maksymalną i minimalną prędkością do maksymalnego natężenia przepływu (ryc. 33). Wskaźnik pulsacji to stosunek różnicy między maksymalną i minimalną prędkością do średniej prędkości przepływu.
Ryż. 33. Obliczanie wskaźnika rezystancji i wskaźnika pulsatora.
Uzyskanie widma dopplerowskiego z jednej objętości kontrolnej pozwala na ocenę przepływu krwi na bardzo małym obszarze. Kolorowe obrazowanie przepływu (Color Doppler) dostarcza informacji o przepływie 2D w czasie rzeczywistym, oprócz konwencjonalnego obrazowania 2D w skali szarości. Obrazowanie Color Doppler rozszerza możliwości pulsacyjnej zasady akwizycji obrazu. Sygnały odbite od nieruchomych struktur są rozpoznawane i przedstawiane w skali szarości. Jeśli odbity sygnał ma częstotliwość inną niż emitowana, oznacza to, że został odbity od poruszającego się obiektu. W tym przypadku określane jest przesunięcie Dopplera, jego znak oraz wartość średniej prędkości. Parametry te służą do określenia koloru, jego nasycenia i jasności. Zazwyczaj kierunek przepływu w kierunku czujnika jest kodowany na czerwono, a od czujnika na niebiesko. Jasność koloru zależy od natężenia przepływu.
W ostatnie lata pojawił się wariant kolorowego mapowania Dopplera, zwany „power Doppler” (Power Doppler). W przypadku power Dopplera nie określa się wartości przesunięcia Dopplera w odbitym sygnale, ale jego energię. Takie podejście pozwala zwiększyć czułość metody na małe prędkości i uczynić ją niemal niezależną od kąta, choć kosztem utraty możliwości wyznaczania bezwzględnej wartości prędkości i kierunku przepływu.
ARTEFAKTY
Artefaktem w diagnostyce ultrasonograficznej jest pojawienie się na obrazie nieistniejących struktur, brak istniejących struktur, niewłaściwa lokalizacja struktur, niewłaściwa jasność struktur, niewłaściwe zarysy struktur, niewłaściwe rozmiary struktur. Pogłos, jeden z najczęstszych artefaktów, pojawia się, gdy impuls ultradźwiękowy uderza między dwie lub więcej powierzchni odbijających światło. W tym przypadku część energii impulsu ultradźwiękowego jest wielokrotnie odbijana od tych powierzchni, za każdym razem częściowo wracając do czujnika w regularnych odstępach czasu (ryc. 34).
Ryż. 34. Pogłos.
Skutkiem tego będzie pojawienie się na ekranie monitora nieistniejących powierzchni odblaskowych, które będą znajdować się za drugim odbłyśnikiem w odległości równej odległości między pierwszym a drugim odbłyśnikiem. Czasami możliwe jest zmniejszenie pogłosu poprzez zmianę położenia czujnika. Wariantem pogłosu jest artefakt zwany „ogonem komety”. Obserwuje się to w przypadku, gdy ultradźwięki powodują naturalne drgania obiektu. Ten artefakt jest często obserwowany za małymi pęcherzykami gazu lub małymi metalowymi przedmiotami. Ze względu na to, że nie zawsze cały odbity sygnał wraca do czujnika (rys. 35), pojawia się artefakt efektywnej powierzchni odbicia, który jest mniejszy od rzeczywistej powierzchni odbicia.
Ryż. 35. Skuteczna powierzchnia odbijająca światło.
Z powodu tego artefaktu rozmiary kamieni określane za pomocą ultradźwięków są zwykle nieco mniejsze niż rzeczywiste. Refrakcja może spowodować nieprawidłowe położenie obiektu na obrazie wynikowym (ryc. 36).
Ryż. 36. Efektywna powierzchnia odbijająca światło.
W przypadku, gdy droga ultradźwięków od przetwornika do struktury odbijającej iz powrotem nie jest taka sama, dochodzi do nieprawidłowego położenia obiektu na obrazie wynikowym. Artefakty lustrzane to wygląd przedmiotu znajdującego się po jednej stronie silnego reflektora po jego drugiej stronie (ryc. 37).
Ryż. 37. Lustrzany artefakt.
Artefakty lustrzane często pojawiają się w pobliżu apertury.
Artefakt cienia akustycznego (ryc. 38) występuje za strukturami, które silnie odbijają lub silnie pochłaniają ultradźwięki. Mechanizm powstawania cienia akustycznego jest podobny do powstawania cienia optycznego.
Ryż. 38. Cień akustyczny.
Artefakt dystalnego wzmocnienia sygnału (ryc. 39) występuje za strukturami słabo pochłaniającymi ultradźwięki (ciecz, formacje zawierające ciecz).
Ryż. 39. Wzmocnienie echa dystalnego.
Artefakt cieni bocznych związany jest z załamaniem, a niekiedy interferencją fal ultradźwiękowych, gdy wiązka ultradźwiękowa pada stycznie na wypukłą powierzchnię (torbiel, pęcherzyk żółciowy szyjny) struktury, której prędkość ultradźwięków znacznie różni się od otaczających tkanek ( Ryc. 40).
Ryż. 40. Cienie boczne.
Artefakty związane z nieprawidłowym określeniem prędkości ultradźwięków powstają w wyniku tego, że rzeczywista prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w danej tkance jest większa lub mniejsza od średniej (1,54 m/s) prędkości, na jaką zaprogramowano urządzenie (ryc. 41).
Ryż. 41. Zniekształcenia spowodowane różnicami prędkości ultradźwięków (V1 i V2) w różnych ośrodkach.
Artefakty grubości wiązki ultradźwiękowej to pojawianie się, głównie w narządach zawierających płyn, odbić przyściennych ze względu na fakt, że wiązka ultradźwiękowa ma określoną grubość i część tej wiązki może jednocześnie tworzyć obraz narządu i obraz sąsiednich struktury (ryc. 42).
Ryż. 42. Artefakt grubości wiązki ultradźwiękowej.
KONTROLA JAKOŚCI DZIAŁANIA URZĄDZEŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH
Kontrola jakości urządzeń ultradźwiękowych obejmuje określenie czułości względnej układu, rozdzielczości osiowej i poprzecznej, martwej strefy, poprawności działania dalmierza, dokładności rejestracji, poprawności działania TVG, określenia zakresu dynamicznego skali szarości itp. . Do kontroli jakości działania urządzeń ultradźwiękowych stosuje się specjalne obiekty testowe lub fantomy równoważne tkankom (ryc. 43). Są one dostępne na rynku, ale nie są powszechnie stosowane w naszym kraju, co sprawia, że kalibracja ultradźwiękowych urządzeń diagnostycznych w terenie jest prawie niemożliwa.
Ryż. 43. Obiekt testowy Amerykańskiego Instytutu Ultrasonografii w Medycynie.
BIOLOGICZNY WPŁYW ULTRADŹWIĘKÓW A BEZPIECZEŃSTWO
Biologiczne działanie ultradźwięków i ich bezpieczeństwo dla pacjenta jest przedmiotem ciągłych dyskusji w piśmiennictwie. Wiedza o biologicznym działaniu ultradźwięków opiera się na badaniu mechanizmów działania ultradźwięków, badaniu wpływu ultradźwięków na kultury komórkowe, badaniach eksperymentalnych na roślinach, zwierzętach, wreszcie na badaniach epidemiologicznych.
Ultradźwięki mogą powodować efekt biologiczny poprzez wpływy mechaniczne i termiczne. Tłumienie sygnału ultradźwiękowego wynika z absorpcji, tj. przekształcania energii fal ultradźwiękowych w ciepło. Ogrzewanie tkanek wzrasta wraz ze wzrostem natężenia emitowanego ultradźwięku i jego częstotliwości. Kawitacja to powstawanie pulsujących pęcherzyków w cieczy wypełnionej gazem, parą wodną lub ich mieszaniną. Jedną z przyczyn powstawania kawitacji może być fala ultradźwiękowa. Czy ultradźwięki są szkodliwe, czy nie?
Badania związane z wpływem ultradźwięków na komórki, prace eksperymentalne na roślinach i zwierzętach oraz badania epidemiologiczne doprowadziły Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie do następującego stwierdzenia, które w ostatni raz potwierdzono w 1993 roku:
„Nigdy nie odnotowano potwierdzonych skutków biologicznych u pacjentów lub osób pracujących przy urządzeniu, spowodowanych napromieniowaniem (ultradźwiękami), którego intensywność jest typowa dla nowoczesnych ultrasonograficznych urządzeń diagnostycznych. Chociaż możliwe jest wykrycie takich skutków biologicznych w przyszłości aktualne dane wskazują, że korzyści dla pacjenta wynikające z rozważnego stosowania ultrasonografii diagnostycznej przewyższają potencjalne ryzyko, jeśli takie istnieje”.
NOWE KIERUNKI W DIAGNOSTYCE USG
Następuje szybki rozwój diagnostyki ultrasonograficznej, ciągłe doskonalenie urządzeń do diagnostyki ultrasonograficznej. Można przyjąć kilka głównych kierunków przyszłego rozwoju tej metody diagnostycznej.
Możliwe jest dalsze doskonalenie technik dopplerowskich, zwłaszcza takich jak power Doppler, Doppler do kolorowego obrazowania tkanek.
Echografia trójwymiarowa w przyszłości może stać się bardzo ważnym obszarem diagnostyki ultrasonograficznej. Obecnie na rynku dostępnych jest kilka aparatów do diagnostyki ultrasonograficznej, które pozwalają na trójwymiarową rekonstrukcję obrazu, jednak kliniczne znaczenie tego kierunku pozostaje niejasne.
Koncepcję wykorzystania kontrastów ultrasonograficznych po raz pierwszy wysunęli R.Gramiak i P.M.Shah pod koniec lat sześćdziesiątych podczas badania echokardiograficznego. Obecnie na rynku dostępny jest kontrast „Ehovist” (Shering), służący do obrazowania prawego serca. Został on niedawno zmodyfikowany w celu zmniejszenia rozmiaru cząstek kontrastu i może być zawracany do układu krążenia człowieka (Levovist, Schering). Lek ten znacznie poprawia sygnał dopplerowski, zarówno widmowy, jak i barwny, co może być istotne w ocenie przepływu krwi w guzie.
Echografia wewnątrzjamowa przy użyciu ultracienkich czujników otwiera nowe możliwości badania narządów i struktur jamistych. Jednak w chwili obecnej rozpowszechnienie tej techniki ogranicza wysoki koszt specjalistycznych sensorów, które ponadto mogą być użyte do badań ograniczoną liczbę razy (1÷40).
Obiecującym kierunkiem, który może w przyszłości poprawić dokładność diagnozowania drobnych zmian strukturalnych w narządach miąższowych jest komputerowe przetwarzanie obrazu w celu obiektywizacji uzyskanych informacji. Niestety uzyskane do tej pory wyniki nie mają istotnego znaczenia klinicznego.
Jednak to, co jeszcze wczoraj wydawało się odległą przyszłością w diagnostyce ultrasonograficznej, dziś stało się powszechną rutynową praktyką i prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości będziemy świadkami wprowadzenia do praktyki klinicznej nowych technik diagnostyki ultrasonograficznej.
LITERATURA
- Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie. Komitet ds. Bioefektów AIUM. - J. USG Med. - 1983; 2: R14.
- Raporty z badań nad oceną skutków biologicznych AIUM. Bethesda, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1984.
- Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie. Oświadczenia dotyczące bezpieczeństwa AIUM. - J. Ultrasonografia med. - 1983; 2: R69.
- Amerykański Instytut Ultradźwięków w Medycynie. Oświadczenie dotyczące bezpieczeństwa klinicznego. - J. USG Med. - 1984; 3:R10.
- Banjavic RA. Projektowanie i utrzymanie systemu zapewnienia jakości diagnostycznego sprzętu ultrasonograficznego. - Semin. USG - 1983; 4:10-26.
- Komitet Bioefektów. Względy bezpieczeństwa dotyczące diagnostyki ultrasonograficznej. Laurel, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1991.
- Podkomisja Konferencji Bioeffects. Bioefekty i bezpieczeństwo diagnostyki ultrasonograficznej. Laurel, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1993.
- Eden A. Poszukiwanie Christiana Dopplera. Nowy Jork, Springer-Verlag, 1992.
- Evans DH, McDicken WN, Skidmore R i in. Ultradźwięki Dopplera: fizyka, oprzyrządowanie i zastosowania kliniczne . Nowy Jork, Wiley & Sons, 1989.
- Gil RW. Pomiar przepływu krwi za pomocą ultradźwięków: dokładność i źródła błędów. - USG Med. Biol. - 1985; 11:625-641.
- Guyton AC. Podręcznik fizjologii medycznej. 7. edycja. Filadelfia, WB Saunders, 1986, 206-229.
- Hunter TV, Haber K. Porównanie skanowania w czasie rzeczywistym z konwencjonalnym statycznym skanowaniem w trybie B. - J. USG Med. - 1983; 2:363-368.
- Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Dopplerowskie obrazowanie przepływu kolorów. Nowy Jork, Churchill Livingstone, 1988.
- Kremkau F.W. Efekty biologiczne i możliwe zagrożenia. W: Campbell S, wyd. Ultrasonografia w położnictwie i ginekologii. Londyn, WB Saunders, 1983, 395-405.
- Kremkau F.W. Błąd kąta Dopplera spowodowany refrakcją. - USG Med. Biol. - 1990; 16:523-524. - 1991; 17:97.
- Kremkau F.W. Dane dotyczące częstotliwości przesunięcia Dopplera. - J. USG Med. - 1987; 6:167.
- Kremkau F.W. Bezpieczeństwo i długoterminowe skutki ultradźwięków: co mówić swoim pacjentom. W: Platt LD, wyd. USG okołoporodowe; Clin. uporczywy Gynecol.- 1984; 27:269-275.
- Kremkau F.W. Tematy techniczne (kolumna pojawiająca się co dwa miesiące w sekcji Refleksje). - J. USG Med. - 1983; 2.
- Laing FC Często spotykane artefakty w ultrasonografii klinicznej. - Semin. USG-1983; 4:27-43.
- Merrit CRB, wyd. Kolorowe obrazowanie Dopplera. Nowy Jork, Churchill Livingstone, 1992.
- MilnorWR. hemodynamika. 2. wydanie. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
- Nachtigall PE, Moore PWB. Sonar zwierząt. Nowy Jork, Plenum Press, 1988.
- Nichols WW, O „Rourke MF. Przepływ krwi w tętnicach McDonalda. Filadelfia, Lea i Febiger, 1990.
- Powis RL, Schwartz RA. Praktyczne USG Dopplera dla klinicysty. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
- Względy bezpieczeństwa dotyczące diagnostyki ultrasonograficznej. Bethesda, MD, Amerykański Instytut Ultrasonografii w Medycynie, 1984.
- Smith HJ, Zagzebski J. Podstawowa fizyka Dopplera. Madison, Wl, Wydawnictwo Fizyki Medycznej, 1991.
- Zweibel WJ. Przegląd podstawowych terminów w diagnostyce ultrasonograficznej. - Semin. USG - 1983; 4:60-62.
- Zwiebel WJ. Fizyka. - Semin. USG - 1983; 4:1-62.
- P. Golyamina, rozdz. wyd. Ultradźwięk. Moskwa, " Encyklopedia radziecka", 1979.
PYTANIA TESTOWE
- Podstawą metody badań ultrasonograficznych jest:
A. wizualizacja narządów i tkanek na ekranie urządzenia
B. oddziaływanie ultradźwięków na tkanki organizmu człowieka
B. odbieranie echa
G. promieniowanie ultradźwiękowe
D. przedstawienie obrazu w skali szarości na ekranie instrumentu - Ultradźwięki to dźwięk, którego częstotliwość nie jest niższa niż:
a.15kHz
B. 20000 Hz
B. 1 MHz D. 30 Hz E. 20 Hz - Szybkość propagacji ultradźwięków wzrasta, jeśli:
A. wzrasta gęstość ośrodka
B. zmniejsza się gęstość ośrodka
B. zwiększa się elastyczność
D. gęstość, wzrost elastyczności
D. zmniejsza się gęstość, zwiększa elastyczność - Średnia prędkość propagacji ultradźwięków w tkankach miękkich wynosi:
A. 1450 m/s
B. 1620 m/s
B. 1540 m/s
śr. 1300 m/s
D. 1420 m/s - Szybkość propagacji ultradźwięków jest określona przez:
A. częstotliwość
B. Amplituda
B. Długość fali
okres G
D. Środa - Długość fali w tkankach miękkich wraz ze wzrostem częstotliwości:
A. malejący
B. pozostaje bez zmian
B. wzrasta - Mając wartości prędkości rozchodzenia się ultradźwięków i częstotliwości, możemy obliczyć:
A. Amplituda
B. kropka
B. Długość fali
D. amplituda i okres E. okres i długość fali - Wraz ze wzrostem częstotliwości współczynnik tłumienia w tkankach miękkich:
A. malejący
B. pozostaje bez zmian
B. wzrasta - Który z poniższych parametrów określa właściwości ośrodka, przez który przechodzi ultradźwięki:
a. opór
B. intensywność
B. Amplituda
Częstotliwość G
D. kropka - Którego z poniższych parametrów nie można określić na podstawie pozostałych dostępnych:
A. częstotliwość
B. kropka
B. Amplituda
G. Długość fali
D. prędkość propagacji - Ultradźwięki odbijają się od granicy ośrodków, które różnią się:
Gęstość
B. Impedancja akustyczna
B. prędkość ultradźwięków
G. elastyczność
D. Prędkość i sprężystość ultradźwięków - Aby obliczyć odległość do reflektora, musisz wiedzieć:
A. tłumienie, prędkość, gęstość
B. tłumienie, opór
B. tłumienie, pochłanianie
D. czas powrotu sygnału, prędkość
D. gęstość, prędkość - Ultradźwięki można skupić:
a. wypaczony element
B. odbłyśnik zakrzywiony
B. Obiektyw
G. fazowana antena
D. wszystkie powyższe - Rozdzielczość osiowa jest określana przez:
A. ogniskowanie
B. odległość obiektu
B. typ czujnika
D. Środa - Rozdzielczość poprzeczna jest określana przez:
A. ogniskowanie
B. odległość obiektu
B. typ czujnika
G. liczba oscylacji w impulsie
Środa D
Rozdział z tomu I przewodnika po diagnostyce ultrasonograficznej,
napisany przez pracowników Zakładu Diagnostyki Ultrasonograficznej
Rosyjska Akademia Medyczna Kształcenia Podyplomowego
Ultradźwięk- wibracje mechaniczne powyżej zakresu częstotliwości słyszalnych dla ludzkiego ucha (zwykle 20 kHz). Wibracje ultradźwiękowe przemieszczają się w kształcie fali, podobnie jak rozchodzenie się światła. Jednak w przeciwieństwie do fal świetlnych, które mogą przemieszczać się w próżni, ultradźwięki wymagają elastycznego ośrodka, takiego jak gaz, ciecz lub ciało stałe.
, (3)
W przypadku fal poprzecznych jest to określone wzorem
Rozproszenie dźwięku- zależność prędkości fazowej monochromatycznych fal dźwiękowych od ich częstotliwości. Dyspersję prędkości dźwięku można określić jako właściwości fizyczneśrodowiska i obecności w nim obcych wtrąceń oraz obecności granic ciała, w których rozchodzi się fala dźwiękowa.
Odmiany fal ultradźwiękowych
Większość metod ultradźwiękowych wykorzystuje fale podłużne lub poprzeczne. Istnieją również inne formy propagacji ultradźwięków, w tym fale powierzchniowe i fale Lamba.
Podłużne fale ultradźwiękowe– fale, których kierunek propagacji pokrywa się z kierunkiem przemieszczeń i prędkości cząstek ośrodka.
Poprzeczne fale ultradźwiękowe- fale rozchodzące się w kierunku prostopadłym do płaszczyzny, w której leżą kierunki przemieszczeń i prędkości cząstek ciała, takie same jak fale ścinające.
Powierzchniowe (Rayleigha) fale ultradźwiękowe mają eliptyczny ruch cząstek i rozprzestrzeniają się po powierzchni materiału. Ich prędkość wynosi około 90% prędkości rozchodzenia się fali ścinającej, a ich penetracja w materiał wynosi około jednej długości fali.
Fala jagnięca- fala sprężysta rozchodząca się w litej płycie (warstwie) ze swobodnymi granicami, w której oscylacyjne przemieszczanie cząstek zachodzi zarówno w kierunku propagacji fali, jak i prostopadle do płaszczyzny płyty. Fale jagnięce są jednym z rodzajów fal normalnych w falowodzie sprężystym - w płycie o swobodnych granicach. Dlatego fale te muszą spełniać nie tylko równania teorii sprężystości, ale także warunki brzegowe na powierzchni płyty wzór ruchu w nich i ich właściwości są bardziej złożone niż fale w nieograniczonych ciałach stałych.
Wizualizacja fal ultradźwiękowych
Dla płaskiej sinusoidalnej fali wędrującej natężenie ultradźwięków I określa wzór
, (5)
W sferyczna fala biegnąca Intensywność ultradźwięków jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od źródła. W stojąca fala I = 0, tj. średnio nie ma przepływu energii akustycznej. Intensywność ultradźwięków w fala biegnąca w płaszczyźnie harmonicznej jest równa gęstości energii fali dźwiękowej pomnożonej przez prędkość dźwięku. Przepływ energii dźwiękowej charakteryzuje się tzw Wektor Umowa- wektor gęstości strumienia energii fali dźwiękowej, który można przedstawić jako iloczyn natężenia ultradźwięków i wektora normalnego fali, tj. wektora jednostkowego prostopadłego do czoła fali. Jeżeli pole dźwiękowe jest superpozycją fal harmonicznych o różnych częstotliwościach, to dla wektora średniej gęstości strumienia energii dźwiękowej występuje addytywność składowych.
Mówi się o emiterach, które tworzą falę płaską intensywność promieniowania, czyli przez to specyficzna moc emitera, tj. emitowana moc akustyczna na jednostkę powierzchni powierzchni promieniującej.
Natężenie dźwięku mierzone jest w jednostkach SI w W/m 2 . W technice ultradźwiękowej przedział zmian natężenia ultradźwięków jest bardzo duży – od wartości progowych ~10-12 W/m2 do setek kW/m2 w ognisku koncentratorów ultradźwiękowych.
Tabela 1 - Właściwości niektórych popularnych materiałów
| Materiał | Gęstość, kg / m 3 | Prędkość fali podłużnej, m/s | Prędkość fali poprzecznej, m/s | , 10 3 kg / (m2 * s) |
| Akryl | 1180 | 2670 | - | 3,15 |
| Powietrze | 0,1 | 330 | - | 0,00033 |
| Aluminium | 2700 | 6320 | 3130 | 17,064 |
| Mosiądz | 8100 | 4430 | 2120 | 35,883 |
| Miedź | 8900 | 4700 | 2260 | 41,830 |
| Szkło | 3600 | 4260 | 2560 | 15,336 |
| Nikiel | 8800 | 5630 | 2960 | 49,544 |
| Poliamid (nylon) | 1100 | 2620 | 1080 | 2,882 |
| Stal (niskostopowa) | 7850 | 5940 | 3250 | 46,629 |
| Tytan | 4540 | 6230 | 3180 | 26,284 |
| Wolfram | 19100 | 5460 | 2620 | 104,286 |
| Woda (293K) | 1000 | 1480 | - | 1,480 |
Tłumienie ultradźwięków
Jedną z głównych cech ultradźwięków jest ich tłumienie. Tłumienie ultradźwięków jest zmniejszeniem amplitudy, a zatem falą dźwiękową podczas jej propagacji. Tłumienie ultradźwięków występuje z wielu powodów. Główne z nich to:
Pierwszy z tych powodów jest związany z faktem, że gdy fala rozchodzi się ze źródła punktowego lub kulistego, energia emitowana przez źródło jest rozprowadzana po coraz większej powierzchni czoła fali i odpowiednio strumień energii przez jednostkę powierzchnia maleje, tj. . Dla fali kulistej, której powierzchnia rośnie wraz z odległością r od źródła jako r 2 , amplituda fali maleje proporcjonalnie do , a dla fali cylindrycznej proporcjonalnie do .
Współczynnik tłumienia jest wyrażany w decybelach na metr (dB/m) lub w neperach na metr (Np/m).
Dla fali płaskiej współczynnik tłumienia w amplitudzie wraz z odległością jest określony wzorem
, (6)
Określa się współczynnik tłumienia w funkcji czasu
, (7)
W tym przypadku do pomiaru współczynnika używana jest również jednostka dB / m
, (8)
Decybel (dB) to jednostka logarytmiczna służąca do pomiaru stosunku energii lub mocy w akustyce.
, (9)
- gdzie A 1 to amplituda pierwszego sygnału,
- A 2 - amplituda drugiego sygnału
Wtedy związek między jednostkami miary (dB/m) i (1/m) będzie wyglądał następująco:
Odbicie ultradźwięków od interfejsu
Kiedy fala dźwiękowa pada na interfejs między ośrodkami, część energii zostanie odbita do pierwszego ośrodka, a reszta energii przejdzie do drugiego ośrodka. Stosunek energii odbitej do energii przechodzącej do drugiego ośrodka jest określony przez impedancje falowe pierwszego i drugiego ośrodka. W przypadku braku dyspersji prędkości dźwięku odporność na fale nie zależy od kształtu fali i wyraża się wzorem:
Współczynniki odbicia i transmisji zostaną określone w następujący sposób
, (12)
, (13)
- gdzie D jest współczynnikiem przenoszenia ciśnienia akustycznego
Trzeba też zaznaczyć, że jeśli drugie medium jest akustycznie „miększe”, tj. Z 1 > Z 2, wtedy faza fali zmienia się o 180˚ po odbiciu.
Współczynnik transmisji energii z jednego ośrodka do drugiego jest określony przez stosunek natężenia fali przechodzącej do drugiego ośrodka do natężenia fali padającej
, (14)
Interferencja i dyfrakcja fal ultradźwiękowych
Zakłócenia dźwięku- nierównomierność rozkładu przestrzennego amplitudy wynikowej fali dźwiękowej, w zależności od stosunku faz fal, które powstają w określonym punkcie przestrzeni. Po dodaniu fal harmonicznych o tej samej częstotliwości wynikający z tego przestrzenny rozkład amplitud tworzy niezależny od czasu wzór interferencji, który odpowiada zmianie różnicy faz fal składowych podczas przemieszczania się od punktu do punktu. Dla dwóch fal zakłócających ten wzór na płaszczyźnie ma postać naprzemiennych pasm wzmocnienia i tłumienia amplitudy wielkości charakteryzującej pole akustyczne (np. ciśnienia akustycznego). W przypadku dwóch fal płaskich pasma są prostoliniowe, a amplituda zmienia się w poprzek pasm zgodnie ze zmianą różnicy faz. Ważnym szczególnym przypadkiem interferencji jest dodanie fali płaskiej z jej odbiciem od granicy płaszczyzny; w tym przypadku fala stojąca powstaje z płaszczyznami węzłów i antywęzłów położonych równolegle do granicy.
dyfrakcja dźwięku- odchylenie zachowania się dźwięku od praw akustyki geometrycznej, ze względu na falowy charakter dźwięku. Efektem dyfrakcji dźwięku jest rozbieżność wiązek ultradźwiękowych przy oddalaniu się od emitera lub po przejściu przez otwór w ekranie, zaginanie fal dźwiękowych w obszar cienia za przeszkodami dużymi w stosunku do długości fali, brak cień za przeszkodami, które są małe w porównaniu z długością fali itp. n. Pola dźwiękowe powstałe w wyniku dyfrakcji pierwotnej fali na przeszkodach umieszczonych w ośrodku, na niejednorodnościach samego ośrodka, jak również na nieregularnościach i niejednorodnościach granice ośrodka nazywane są polami rozproszonymi. Dla obiektów, na których występuje dyfrakcja dźwięku, duży w porównaniu z długością fali stopień odchylenia od wzór geometryczny zależy od wartości parametru fali
, (15)
- gdzie D to średnica obiektu (na przykład średnica emitera ultradźwięków lub przeszkody),
- r - odległość punktu obserwacyjnego od tego obiektu
Emitery ultradźwiękowe
Emitery ultradźwiękowe- urządzenia służące do wzbudzania drgań i fal ultradźwiękowych w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych. Emitery ultradźwiękowe przekształcają inną formę energii w energię.
Najszerzej stosowane jako emitery odbieranych ultradźwięków przetworniki elektroakustyczne. W zdecydowanej większości tego typu emiterów ultradźwięków, a mianowicie w przetworniki piezoelektryczne , przetworniki magnetostrykcyjne, emitery elektrodynamiczne, emitery elektromagnetyczne i elektrostatyczne, energia elektryczna jest zamieniana na energię drgań jakiegoś ciała stałego (płyta promieniująca, pręt, membrana itp.), która promieniuje w środowisko fale akustyczne. Wszystkie wymienione przetworniki są z reguły liniowe, w związku z czym oscylacje układu promieniującego odtwarzają w formie pobudzający sygnał elektryczny; tylko przy bardzo dużych amplitudach oscylacji w pobliżu górnej granicy zakresu dynamicznego emitera ultradźwięków mogą wystąpić zniekształcenia nieliniowe.
W przetwornikach przeznaczonych do emitowania fali monochromatycznej wykorzystuje się to zjawisko rezonans: działają one na jednej z naturalnych oscylacji mechanicznego układu oscylacyjnego, której częstotliwość jest dostrojona do generatora oscylacji elektrycznych, który wzbudza przetwornicę. Przetworniki elektroakustyczne nieposiadające półprzewodnikowego układu promieniującego są stosunkowo rzadko stosowane jako emitery ultradźwięków; obejmują one na przykład emitery ultradźwiękowe oparte na wyładowaniu elektrycznym w cieczy lub na elektrostrykcji cieczy.
Charakterystyka emitera ultradźwięków
Główne cechy emiterów ultradźwiękowych to ich widmo częstotliwości, emitowane moc dźwięku, kierunkowość promieniowania. W przypadku promieniowania jednoczęstotliwościowego główne cechy to częstotliwość pracy emiter ultradźwięków i jego pasmo częstotliwości, którego granice są określone przez dwukrotny spadek mocy wypromieniowanej w porównaniu z jej wartością przy częstotliwości maksymalnego promieniowania. W przypadku rezonansowych przetworników elektroakustycznych częstotliwość robocza wynosi naturalna frekwencja konwerter f 0 i Szerokość liniiΔf jest określone przez jego współczynnik jakości Q.
Emitery ultradźwięków (przetworniki elektroakustyczne) charakteryzują się czułością, współczynnikiem elektroakustycznym pożyteczna akcja i własnej impedancji elektrycznej.
Czułość przetwornika ultradźwiękowego- stosunek ciśnienia akustycznego przy maksimum charakterystyki kierunkowości w pewnej odległości od emitera (najczęściej w odległości 1 m) do napięcia elektrycznego na nim lub do płynącego w nim prądu. Niniejsza specyfikacja dotyczy przetworników ultradźwiękowych stosowanych w systemach tubowych, sonarach i innych podobnych zastosowaniach. Dla emiterów do celów technologicznych, wykorzystywanych np. do czyszczenia ultradźwiękowego, koagulacji, oddziaływania na procesy chemiczne, główną cechą jest moc. Wraz z całkowitą mocą promieniowania, szacowaną w W, charakteryzują się emitery ultradźwięków gęstość mocy, tj. średnia moc na jednostkę powierzchni promieniującej lub średnie natężenie promieniowania w polu bliskim, szacowane w W / m2.
Skuteczność przetworników elektroakustycznych, które wypromieniowują energię akustyczną do nagłaśnianego otoczenia, charakteryzuje się ich wartością sprawność elektroakustyczna, czyli stosunek emitowanej mocy akustycznej do zużytej energii elektrycznej. W akustoelektronice do oceny sprawności emiterów ultradźwięków stosuje się tzw. współczynnik strat elektrycznych, równy stosunkowi(w dB) moc elektryczna do mocy akustycznej. Sprawność narzędzi ultradźwiękowych stosowanych przy zgrzewaniu ultradźwiękowym, obróbce itp. charakteryzuje się tzw. współczynnikiem sprawności, który jest stosunkiem kwadratu amplitudy przemieszczenia oscylacyjnego na końcu roboczym koncentratora do mocy elektrycznej moc pobierana przez przetwornik. Czasami efektywny współczynnik sprzężenia elektromechanicznego jest używany do scharakteryzowania konwersji energii w emiterach ultradźwięków.
Emiter pola dźwiękowego
Pole dźwiękowe przetwornika jest podzielone na dwie strefy: strefę bliską i strefę daleką. w pobliżu strefy jest to obszar bezpośrednio przed przetwornikiem, w którym amplituda echa przechodzi przez serię wzlotów i upadków. Strefa bliska kończy się na ostatnim maksimum, które znajduje się w odległości N od przetwornika. Wiadomo, że położenie ostatniego maksimum jest naturalnym ogniskiem przetwornika. daleka strefa jest to obszar poza N, w którym ciśnienie pola akustycznego stopniowo spada do zera.
Z kolei położenie ostatniego maksimum N na osi akustycznej zależy od średnicy i długości fali, a dla promienia okrągłego dysku wyraża się wzorem
, (17)
Ponieważ jednak D jest zwykle znacznie większe, równanie można uprościć do postaci
Charakterystykę pola akustycznego określa konstrukcja przetwornika ultradźwiękowego. W konsekwencji rozchodzenie się dźwięku w badanym obszarze i czułość czujnika zależą od jego kształtu.
Zastosowanie ultradźwięków
Zróżnicowane zastosowania ultradźwięków, w których wykorzystuje się różne ich właściwości, można warunkowo podzielić na trzy obszary. związane z odbiorem informacji za pomocą fal ultradźwiękowych, - z aktywnym oddziaływaniem na substancję oraz - z przetwarzaniem i transmisją sygnałów (kierunki wymieniono w kolejności ich historycznego powstawania). W każdym konkretnym zastosowaniu stosuje się ultradźwięki o określonym zakresie częstotliwości.
