Использование ультразвука в технике: Ультразвук и его использование в технике и медицине

Влияние ультразвука на организм человека

Ухо человека может улавливать такие звуки, частота которых варьирует в пределах от 16 до 20000 колебаний в течение секунды.

Инфразвук – это низкочастотная звуковая волна (то есть с частотой ниже 16 колебаний), ультразвук – высокочастотная звуковая волна с частотой свыше 20 тысяч колебаний. Они не воспринимаются человеческим слуховым аппаратом, и для их обнаружения требуется использование специальных приборов.

Именно огромное число исследований, в которых анализировались признаки звуковой волны и воздействие ультразвука способствовало возникновению предпосылок, позволивших использовать ультразвук в больших масштабах в различных промышленных отраслях, в выпуске отдельных лекарственных средств, в медицине, физике, современной военной технике, биологии, народном хозяйстве и повседневной жизни. Рассмотрим подробнее влияние на организм человека ультразвука.

Что такое ультразвук?

Влияние ультразвука и инфразвука на организм человека уникально. Ультразвук является звуковой волной с высокой частотой, которая может распространяться в твердых материалах, в жидкости и в газообразной среде, что обусловлено влиянием упругих сил. Происхождение ультразвука может быть как естественным, так и искусственным. Так, в природе существуют органы чувств, которые позволяют воспроизводить и получать колебания, сформированные ультразвуковой волной, например у дельфинов, летучих мышей, бабочек, китов, саранчи, кузнечиков, сверчков, отдельных видов рыб и птиц.

Благодаря этому они способны прекрасно ориентироваться в пространстве, включая ночное время, а также общаться с сородичами. Дельфины и киты могут посылать необходимые сигналы на десятки тысяч километров. Кроме того, ультразвук способны улавливать собаки и кошки. На интенсивность и скорость распространения ультразвука непосредственно воздействуют признаки того вещества, в котором он передается: если он удаляется от источника, находящегося в воздухе, то звук довольно быстро ослабевает. В жидкостях, а также при прохождении сквозь твердое вещество сила ультразвука уменьшается медленно. Каково действие на организм человека ультразвука?

Отличие от обычного звука

От обычного звука он отличается тем, что распространяется во всех направлениях от источника. Ультразвук по сути своей является волной в форме узкого луча. Такие особенности позволяют применять его для исследования морского и океанского дна, обнаружения затонувших кораблей и подводных лодок, а также различных препятствий, находящихся под водой, и точного расстояния.

Но при распространении в воде ультразвуковые волны могут причинить вред тем организмам, которые в ней обитают. Под влиянием ультразвука у рыб нарушается чувство равновесия, они всплывают к поверхности воды вверх животом, и поэтому не могут принять свое нормальное положение. Если воздействие ультразвука интенсивное и продолжительное, превышает допустимые пределы, то в конечном итоге это станет причиной очень серьезных повреждений и даже смерти рыб. Если же его влияние временное, а интенсивность не слишком высокая, после прекращения его образ жизни и поведение рыб возвращаются в привычные рамки.

Влияние на организм человека ультразвука

Ультразвук воздействует на организм человека аналогичным образом. Во время проведения эксперимента в сложенную в форме чаши ладонь наливали воду, после чего испытуемый погружал ее в ультразвуковое пространство. При этом у него отмечались болезненные неприятные ощущения. Какое влияние ультразвука на организм человека, знают не все.

Стоит отметить, что сущность биологического влияния ультразвука до настоящего времени все еще не изучена до конца. Но с большей вероятностью оно основывается на локальных давлениях, возникающих в тканях, а также местном тепловом эффекте, который связан напрямую с поглощением энергии, происходящим при подавлении вибраций. Так как газообразная и жидкая среды способны отлично поглощать ультразвук, в то время как твердые вещества его проводят, скелетная система тела человека также представляет собой хороший проводник. Ультразвуковое воздействие в организме человека в первую очередь провоцирует появление термического эффекта, являющегося следствием энергетической трансформации волны ультразвука в тепло. Что еще нужно знать про ультразвук и его влияние на организм человека?

Стимулирует кровообращение

Помимо этого, он становится причиной микроскопических растяжений и сжатий ткани (это называется микромассажем), а также стимулирует кровообращение. В связи с этим происходит улучшение функционирования разных тканей организма человека и кровотока. Кроме того, ультразвук может оказывать стимулирующее влияние на протекание процессов обмена и рефлекторно-нервное действие. Он способствует изменениям не только в органах, на которые воздействует, но также на другие органы и ткани.

Вред интенсивного влияния

При этом интенсивное и продолжительное влияние разрушает клетки и приводит к их гибели. Связано это с тем, что в жидкостях организма под воздействием ультразвука формируются полости (такое явление называется кавитацией), из-за чего происходит отмирание тканей. Волна ультразвука способна также разрушить многие микроорганизмы, а это способствует инактивации таких вирусов, как энцефалит либо полиомиелит. Влияние ультразвука на белок вызывает нарушение структуры составляющих его частиц и дальнейший их распад. Кроме того, он разрушает в крови эритроциты и лейкоциты, ее свертываемость и вязкость значительно повышаются, также происходит ускорение РОЭ. Волна ультразвука угнетающе воздействует на клеточное дыхание, снижает количество кислорода, потребляемого ею, становится причиной инактивации ряда гормонов и ферментов.

Так что влияние на организм человека ультразвука все же не очень хорошее.

Последствия для человеческого организма

Высокоинтенсивный ультразвук может вызвать такие последствия у человека:

— появление усиленного болевого синдрома;

— облысение;

— гемолиз;

— помутнение хрусталика и роговицы глаза;

— увеличение содержания молочной и мочевой кислоты, холестерина в крови;

— небольшие кровоизлияния в ряде органов и тканей организма;

— значительные дефекты со стороны слуха;

— патологическое формирование и разрушение костной ткани;

— разрушение нервных клеток и клеток Кортиева органа. Это основные заболевания, вызванные воздействием ультразвука.

В результате продолжительного влияния ультразвука появляются чрезмерная сонливость, головокружения, высокая утомляемость, симптомы вегетососудистой дистонии (расстройства сна, дефекты памяти, апатия, нерешительность, уменьшение аппетита, пугливость, склонность к состоянию депрессии и т. п.).

Где чаще всего применяется воздействие ультразвука на организм?

Использование ультразвука в области медицины

Терапевтическое влияние ультразвука обусловлено способностью его к проникновению в ткани, их прогреванию и микромассажу. Необходимо отметить, что ультразвук, вероятно, обладает рядом специфических особенностей воздействия, поскольку глубокое прогревание тканей достигается и посредством других методик, но положительный эффект в некоторых случаях наступает только после использования ультразвука.

С учетом рефлекторного механизма можно использовать ультразвук не только для того, чтобы он прямо воздействовал на эпицентр боли, но также для влияния косвенного.

Благодаря свойствам, указанным выше, ультразвук при ряде условий способен оказывать бактерицидное, спазмолитическое, противовоспалительное и болеутоляющее действие. Использование ультразвука может сочетаться с другими терапевтическими приемами. Из-за повышенной биологической активности необходимо соблюдать осторожность при лечении ультразвуком. Положительные результаты при его терапевтическом применении получены в ряде заболеваний. Очень эффективен он при лечении невралгий, миальгий, невритов ампутированных конечностей, периартритов, артритов и артрозов. Вреден ли ультразвук для человека, интересно многим.

Общее воздействие

Общее воздействие ультразвука на человеческий организм подтверждается, в частности, тем, что при поражении ряда суставов зачастую достаточно ограничиться терапией какого-либо из них, поскольку при этом отмечается параллельное улучшение остальных суставов. Положительные результаты были получены при лечении с помощью ультразвука спондилитов, болезни Бехтерева, варикозных, вяло гранулирующих и трофических язв, облитерирующих эндартериитов.

Существуют отдельные указания о положительном использовании ультразвука при бронхиальной астме, язве двенадцатиперстной кишки и желудка, бронхоэктазиях, легочной эмфиземе, болезни Меньера и отосклерозе. Есть также наблюдения, которые свидетельствуют о том, что предварительное кожное озвучение усиливает эффективность облучения рентгеном.

Противопоказания к использованию ультразвука

Запрещается озвучивать половые органы, растущие кости, опухоли, сердечные области (это может стать причиной стенокардии). При гипертонической болезни, легочном туберкулезе, беременности, гипертиреозе, изменениях паренхиматозных органов использование ультразвука тоже противопоказано. Если применять его во все более широких масштабах, то необходимо организовать тщательное наблюдение за пациентами, которые контактируют с ультразвуком, чтобы выявить ранние симптомы заболевания и вовремя провести требуемые профилактические и лечебные мероприятия. Также есть данные о положительном влиянии ультразвука на некоторые формы неврита и рака. Но еще не определена с точностью ширина безопасной области между положительным и повреждающим воздействием.

Мы рассмотрели влияние на организм человека ультразвука.

Как сделать ультразвуковой генератор? Описание

Неоднократно каждый из нас слышал выражение «ультразвук» — в данной статье мы рассмотрим что это, как создается, и для чего он нужен.

Понятие «ультразвук»

Ультразвук – это механические колебания, которые находятся значительно выше той области частот, которую слышит ухо человека. Колебания ультразвука чем-то напоминают волну, похожую на световую. Но, в отличие от волн светового типа, которые распространяются только в вакууме, ультразвуку нужна упругая среда – жидкость, газ или любое другое твердое тело.

Основные параметры ультразвука

Основными параметрами ультразвуковой волны принято считать длину волны и период. Время, которое требуется для полного цикла, принято называть периодом волны, измеряется оно в секундах.

Мощнейшим генератором ультразвуковых волн считается УЗ-излучатель. Человеку не под силу слышать ультразвуковую частоту, но его организм способен ее чувствовать. Если говорить другими словами, то человеческое ухо воспринимает ультразвуковую частоту, но участок мозга, отвечающий за слух, не в силах сделать расшифровку этой звуковой волны. Для человеческого слуха неприятна высокая частота, но, если поднять частоту на еще один диапазон, то звук полностью исчезнет — несмотря на то, что в УЗ-частоте он есть. И мозг прилагает усилия, чтобы безуспешно его раскодировать, из-за этого у человека возникает жуткая головная боль, головокружение, тошнота и другие не совсем приятные ощущения.

Генераторы ультразвуковых колебаний используются во всех областях техники и науки. Например, ультразвуку под силу не только постирать белье, но и сваривать металл. В современном мире УЗ активно применяется в сельскохозяйственной технике для отпугивания грызунов, поскольку организм большинства животных приспособлен к общению с себе подобными на ультразвуковой частоте. Также следует сказать, что генератор ультразвуковых волн способен отпугивать и насекомых — сегодня многие производители выпускают такого рода электронные репелленты.

Разновидности ультразвуковых волн

Ультразвуковые волны бывают не только поперечные или продольные, но и поверхностные и волны Лэмба.

Поперечные УЗ волны – это волны, которые движутся перпендикулярно плоскости направления скоростей и смещений частиц тела.

Продольные УЗ волны – это волны, движение которых совпадает с направлением скоростей и смещений частиц среды.

Волна Лэмба – это упругая волна, которая распространяется в твердом слое со свободными границами. Именно в этой волне происходит колебательное смещение частиц как перпендикулярно плоскости пластины, так и в направлении движения самой волны. Именно волна Лэмба – это нормальная волна в платине со свободными границами.

Рэлеевские (поверхностные) УЗ волны – это волны с эллиптическим движением частиц, которые распространяются на поверхности материала. Скорость поверхностной волны составляет почти 90% от скорости движения волны поперечного типа, а ее проникновение в материал равно самой длине волны.

Использование ультразвука

Как уже выше говорилось, разнообразное использование УЗ, при котором применяются самые различные его характеристики, условно можно разделить на три направления:

1. получение информации;
2. активное воздействие на вещество;
3. обработка и передача сигналов.

Следует учитывать, что при каждом конкретном применении необходимо выбирать УЗ определенного частотного диапазона.

Воздействие ультразвука на вещество

Если материал или вещество попадает под активное воздействие УЗ-волн, то это приводит к необратимым в нем изменениям. Это обусловлено нелинейными эффектами в звуковом поле. Такой тип воздействия на материал популярно в промышленной технологии.

Получение информации при помощи УЗ-методов

Ультразвуковые методы сегодня широко применяются в различного рода научных исследованиях для тщательного изучения строения и свойств веществ, а также для полного понимания проходящих в них процессов на микро- и макроуровнях.

Все эти методы главным образом основаны на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от происходящих в них процессах и от свойств веществ.

Обработка и передача сигналов

Ультразвуковые генераторы используются для преобразования и аналоговой обработки различного рода электрических сигналов во всех отраслях радиоэлектроники и для контроля световых сигналов в оптике и оптоэлектронике.

Ультразвуковой излучатель своими руками

В современном мире ультразвуковой генератор используется достаточно широко. Например, в промышленности ультразвуковые ванны используются для быстрой и качественной очистки чего-либо. Следует сказать, что такой метод очистки зарекомендовал себя только с лучшей стороны. Сегодня ультразвуковой генератор набирает популярность в использовании и в других целях.

Сборка схемы УЗГ для отпугивания собак

Многие жители мегаполисов страны ежедневно сталкиваются с довольно-таки ощутимой проблемой встречи стаи бродячих собак. Заранее предугадать поведение стаи невозможно, поэтому здесь придет в помощь УЗГ.

В данной статье мы с вами разберем как сделать ультразвуковой генератор своими руками.

Для создания УЗГ в домашних условиях потребуются такие детали:

• печатная плата;
• миркосхема;
• радиотехнические элементы.

Самостоятельно собрать схему не составит большого труда. Для того чтобы была возможность управлять импульсами, следует закрепить при помощи паяльника к конкретным ножкам микросхемы радиодетали.

Разберем конструкцию генератора ультразвуковой частоты высокой мощности. В качестве генератора УЗ-частоты работает микросхема D4049, которая имеет 6 логическиХ интерторов.

Зарубежную микросхему можно заменить на аналог отечественного производства К561ЛН2. Для подстройки частоты требуется регулятор 22к, при помощи его УЗ можно снижать до слышимой частоты. На выходной каскад, благодаря 4-м биополярным транзисторам со средней мощностью, поступают сигналы с микросхемы. Особого условия по выбору транзисторов нет, здесь главное выбрать максимально близкие по параметрам комплементарные пары.

Практически любая ВЧ-головка, которая имеет мощность от 5 ватт, может быть использована в качестве излучателя. Идеальным вариантом станут отечественные головки типа 10ГДВ-6, 10ГДВ-4 или 5ГДВ-6, их с легкостью можно найти во всех акустических системах производства СССР.

Сделанную своими руками схему генератора УЗ осталось только спрятать в корпус. Контролировать мощность ультразвукового генератора поможет металлический рефлектор.

Схема ультразвукового генератора

В современном мире для отпугивания собак, насекомых, грызунов, а также для высококачественной стирки принято использовать генератор ультразвуковой. УЗГ также используется для того, чтобы значительно сократить временные затраты при промывке и травлении печатных плат. Химические процессы в жидкости протекают значительно быстрее благодаря кавитации.

В основе схемы УЗГ состоят два импульсных генератора прямоугольной формы и усилитель мощности мостового вида. На логических элементах типа DD1.3 и DD1.4 устанавливается перестраиваемый генератор импульсов УЗ частоты формы меандр. Следует помнить, что его рабочая частота напрямую зависит только от общей сопротивляемости резисторов R4 и R6, а также от емкости конденсатора С3.

Запомните правило: чем меньше частота, тем больше сопротивление этих резисторов.

На элементах DD1.1 и DD1.2 сделан генератор НЧ, который имеет рабочую частоту 1 Гц. Между собой генераторы связаны при помощи резисторов R3 и R4. Для того чтобы достичь плавного изменения частоты высокочастотного генератора нужно использовать конденсатор С2. Здесь также следует запомнить один секрет – если конденсатор С2 зашунтировать с помощью переключателя SA1, то частота генератора высоких частот станет постоянной.

Использование ультразвука: широчайшая сфера применения

Как все мы знаем, ультразвук в современном мире где только не используется. Наверняка каждый из нас хоть раз в жизни проходил процедуру УЗИ (ультразвукового исследования). Следует добавить, то именно благодаря УЗИ доктора могут обнаружить возникновение заболеваний органов человека.

Ультразвук активно применяется в косметологии для эффективного очищения кожного покрова не только от грязи и жира, но и от эпителия. К примеру, ультразвуковой фонофорез успешно используется в салонах красоты как для питания и очищения, так и для увлажнения и омоложения кожного покрова. Методика применения УЗ-фонофореза усиляет за счет действия ультразвуковой волны защитные механизмы кожи. Косметические процедуры с применением ультразвука считаются универсальными и подходят для всех типов кожи. Ультразвуковой фонофорез вторит чудеса!

Ультразвуковой генератор пара активно используется не только в турецких хаммамах, финских саунах, но и в наших современных русских банях. Благодаря пару наше тело эффективно очищается от невидимой грязи, наш организм избавляется от токсинов и шлаков, оздоравливаются кожа и волосы, пар положительно влияет на органы дыхания человека.

Генераторы искусственного тумана активно используются для повышения влажности воздуха в помещениях, что благотворно влияет на климат в квартире. Особенно актуальным это стает в холодное время года, когда централизованное отопление пересушивает воздух. Используют генераторы искусственного тумана как в жилых помещениях, так и террариуме или зимнем саду. Специалисты советуют иметь ультразвуковой генератор тумана людям с заболеваниями дыхательных путей или склонными к аллергическим заболеваниям.

Вывод

В домашнем использовании ультразвуковой генератор пара или тумана – это очень полезный прибор, который не только создаст комфорт и уют, но и сможет обогатить воздух невидимыми глазу витаминами, легкими отрицательными аэроионами, которых так много на морском берегу, в горах или в лесу и крайне мало внутри наших квартир. А это, в свою очередь, будет способствовать повышению эмоционального состояния и улучшению здоровья.

Ультра- и инфразвук и их использование

Ультразвук:

1. Что такое ультразвук;
2. Влияние ультразвука на организм человека;
3. Использование ультразвука в промышленности и
   хозяйстве;
4. Перспективы использования ультразвука.

Инфразвук:

1. Что такое инфразвук;
2. Влияние инфразвука на организм человека;
3. Инфразвуковые аномалии;
4. Животные, использующие инфразвук;
5. Перспективы использования инфразвука;
6. Вывод

Ультразвук

1. Что такое ультразвук?

В последнее время все более широкое
распространение в производстве находят
технологические процессы, основанные на
использовании энергии ультразвука. Ультразвук
нашел также применение в медицине. В связи с
ростом единичных мощностей и скоростей
различных агрегатов и машин растут уровни шума, в
том числе и в ультразвуковой области частот.

Ультразвуком называют механические колебания
упругой среды с частотой, превышающей верхний
предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения
уровня звукового давления является дБ. Единицей
измерения интенсивности ультразвука является
ватт на квадратный сантиметр (Вт/с2) Человеческое
ухо не воспринимает ультразвук, однако некоторые
животные, например, летучие мыши могут и слышать,
и издавать ультразвук. Частично воспринимают его
грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины.
Ультразвуковые колебания возникают при работе
моторов автомобилей, станков и ракетных
двигателей.

Вследствие большой частоты (малой длины волны)
ультразвук обладает особыми свойствами. Так,
подобно свету, ультразвуковые волны могут
образовывать строго направленные пучки.
Отражение и преломление этих пучков на границе
двух сред подчиняется законам геометрической
оптики. Он сильно поглощается газами и слабо -
жидкостями. В жидкости под воздействием
ультразвука образуются пустоты в виде
мельчайших пузырьков с кратковременным
возрастанием давления внутри них. Кроме того,
ультразвуковые волны ускоряют протекание
процессов диффузии.

Эти свойства ультразвука и особенности его
взаимодействия со средой обусловливают его
широкое техническое и медицинское
использование. Ультразвук применяют в медицине и
биологии для эхолокации, для выявления и лечения
опухолей и некоторых дефектов в тканях
организма, в хирургии и травматологии для
рассечения мягких и костных тканей при различных
операциях, для сварки сломанных костей, для
разрушения клеток (ультразвук большой мощности).
В ультразвуковой терапии для лечебных целей
используют колебания 800-900 кГц.

2. Влияние ультразвука на организм человека

Ультразвук обладает главным образом локальным
действием на организм, поскольку передается при
непосредственном контакте с ультразвуковым
инструментом, обрабатываемыми деталями или
средами, где возбуждаются ультразвуковые
колебания. Ультразвуковые колебания,
генерируемые ультразвуком низкочастотным
промышленным оборудованием, оказывают
неблагоприятное влияние на организм человека.
Длительное систематическое воздействие
ультразвука, распространяющегося воздушным
путем, вызывает изменения нервной,
сердечно-сосудистой и эндокринной систем,
слухового и вестибулярного анализаторов.

В поле ультразвуковых колебаний в живых тканях
ультразвук оказывает механическое, термическое,
физико-химическое воздействие (микромассаж
клеток и тканей). При этом активизируются
обменные процессы, повышаются иммунные свойства
организма.

3. Использование ультразвука в
промышленности и хозяйстве

Сегодня ультразвук применяется в огромном
количестве отраслей. Среди них: медицина,
геология, сталелитейная промышленность, военная
промышленность и т.д. Чрезвычайно интенсивно
ультразвук применяется в геологии, существует
специальная наука – геофизика.

С помощью ультразвука геофизики находят залежи
ценных ископаемых и определяют глубину их
местонахождения. В металолитейной отрасли
ультразвук применяется для диагностики
состояния кристаллической решетки металла. При
“прослушивании” труб, балок у качественных
изделий получается определенный сигнал, если же
у изделия что-то отличается от нормы (плотность,
дефект конструкции), сигнал будет другим, что и
укажет инженеру на брак.

Окруженная вражескими суднами подводная лодка
имеет только один безопасный способ связаться с
базой – передать сигнал в водной среде. Для этого
используется особенный условный ультразвуковой
сигнал определенной частоты – перехватить такое
послание практически невозможно, т.к. для этого
необходимо знать его частоту, точное время
передачи и “маршрут”. Однако отправка сигнала с
лодки также является сложнейшей процедурой –
необходимо учитывать все глубины, температуру
воды и т.д. База, получая сигнал, и, зная время его
прохождения, может высчитать расстояния до
лодки, в результате – ее местонахождение. Также в
подводном флоте используют специальные короткие
ультразвуковые импульсы, посылаемые
гидролокатором прямо с подводной лодки; импульс
отражается от предметов – скал, других судов, и с
его помощью рассчитывают направление и
расстояние до препятствия (прием,
позаимствованный у ночных хищников — летучих
мышей).

Также используются ультразвуковые ванны, как
для дезинфекции инструментов, так и в
косметических целях – массаж ступней ног, рук,
лица. Очень эффективны ультразвуковые
увлажнители воздуха и форсунки, а также
дальномеры (во всем известных радарах скорости
дорожной полиции также используются
ультразвуковые импульсы).

4. Перспективы использования ультразвука

В перспективе предполагается более широкое
использование ультразвуковых импульсов в
косметических целях – ученые уже в ближайшем
ультразвука для очистки пор, освежения,
омоложения увядшей кожи – ультразвуковой
пилинг. Ведутся работы по созданию
ультразвукового оружия, а также разработки
систем защиты от него. Предполагается более
широкое использование ультразвука в бытовом
хозяйстве.

Инфразвук

5. Что такое инфразвук?

Развитие техники и транспортных средств,
совершенствование технологических процессов и
оборудования сопровождаются увеличением
мощности и габаритов машин, что обусловливает
тенденцию повышения низкочастотных
составляющих в спектрах и появление инфразвука,
который является сравнительно новым, не
полностью изученным фактором производственной
среды.

Инфразвуком называют акустические колебания с
частотой ниже 20 Гц. Этот частотный диапазон лежит
ниже порога слышимости и человеческое ухо не
способно воспринимать колебания указанных
частот. Производственный инфразвук возникает за
счет тех же процессов что и шум слышимых частот.
Наибольшую интенсивность инфразвуковых
колебаний создают машины и механизмы, имеющие
поверхности больших размеров, совершающие
низкочастотные механические колебания
(инфразвук механического происхождения) или
турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук
аэродинамического или гидродинамического
происхождения). Максимальные уровни
низкочастотных акустических колебаний от
промышленных и транспортных источников
достигают 100-110 дБ.

6. Влияние инфразвука на организм людей

Исследования биологического действия
инфразвука на организм показали, что при уровне
от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей
неприятные субъективные ощущения и
многочисленные реактивные изменения, к числу
которых следует отнести изменения в центральной
нервной, сердечно- сосудистой и дыхательной
системах, вестибулярном анализаторе. Имеются
данные о том, что инфразвук вызывает снижение
слуха преимущественно на низких и средних
частотах. Выраженность этих изменений зависит от
уровня интенсивности инфразвука и длительности
действия фактора.

Инфразвук отнюдь не является недавно открытым
явлением. В действительности органистам он
известен уже более 250 лет. Во многих соборах и
церквях есть столь длинные органные трубы, что
они издают звук частотой менее 20 Гц, не
воспринимаемый человеческим ухом. Но, как
выяснили британские исследователи, такой
инфразвук может вселить в аудиторию
разнообразные и не слишком приятные чувства —
тоску, ощущение холода, беспокойство, дрожь в
позвоночнике. Люди, подвергшиеся воздействию
инфразвука, испытывают примерно те же ощущения,
что и при посещении мест, где происходили встречи
с призраками.

7. Инфразвуковые аномалии

Береговая линия Северной Америки в районе мыса
Гаттерас, полуостров Флорида и остров Куба
образуют гигантский рефлектор. Шторм,
происходящий в Атлантическом океане, генерирует
инфразвуковые волны, которые, отразившись от
этого рефлектора, фокусируются в районе
«Бермудского треугольника». Колоссальные
размеры фокусирующей структуры позволяют
предположить наличие областей, где
инфразвуковые колебания могут достигать
значительной величины, что и является причиной
происходящих здесь аномальных явлений. Как
известно, сильные инфразвуковые колебания
вызывают у человека панический страх вместе с
желанием вырваться из замкнутого пространства.
Очевидно, тако

Применение_ультразвука_в_быту

Ультразву́к — звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 герц.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование началось достаточно недавно. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.

Содержание

Источники ультразвука [ править | править код ]

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков кГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путём (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения (киты, дельфины, летучие мыши, грызуны, долгопяты).

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Свисток Гальтона [ править | править код ]

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон.

Ультразвук здесь создаётся подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак и кошек.

Жидкостный ультразвуковой свисток [ править | править код ]

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учёными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов XX века. В нём поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку.

Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена [ править | править код ]

Сирена — механический источник упругих колебаний и, в том числе, ультразвука. Их частотный диапазон может достигать 100 кГц, но известны сирены, работающие на частоте до 600 кГц. Мощность сирен доходит до десятков кВт.

Воздушные динамические сирены применяются для сигнализации и технологических целей (коагуляция мелкодисперсных аэрозолей (осаждение туманов), разрушение пены, ускорение процессов массо- и теплообмена и т. д.).

Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске — роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Частота звука в сиренах зависят от количества отверстий и их геометрической формы, и скорости вращения ротора.

Ультразвук в природе [ править | править код ]

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом (кожановые — Vespertilionidae) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием (подковоносые — Rhinolophidae) сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноаурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Эхолокацию используют для навигации и птицы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки — от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.

Применение ультразвука [ править | править код ]

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ) [ править | править код ]

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.

Терапевтическое применение ультразвука в медицине [ править | править код ]

Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения.

Ультразвук обладает следующими эффектами:

• противовоспалительным, рассасывающим действиями;
• анальгезирующим, спазмолитическим действием;
• кавитационным усилением проницаемости кожи. [источник не указан 1955 дней]

Фонофорез — комбинированный метод лечения, при котором на ткани вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии (применяемого, например, при УЗИ) наносится лечебное вещество (как медикаменты, так и вещества природного происхождения). Предполагается, что ультразвук помогает лечебному веществу глубже проникать в ткани.

Применение в производстве [ править | править код ]

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.

Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.

Приготовление смесей с помощью ультразвука [ править | править код ]

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Получаемые эмульсии играют большую роль в современной промышленности, это: лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

В 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Данный процесс происходит из-за явления кавитации, начинающегося при превышении определённых порогов интенсивности излучения (вода — 1 Вт/см 2 , масло — 4 Вт/см 2 ). При изменении давления, температуры и времени воздействия кавитация может начинаться и при более низкой мощности [1] .

Применение ультразвука в биологии [ править | править код ]

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. [ источник не указан 3313 дней ] Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Применение ультразвука для очистки [ править | править код ]

Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоту и повышенную мощность.

В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны, заполненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).

В быту, для стирки текстильных изделий, используют специальные, излучающие ультразвук устройства, помещаемые в отдельную ёмкость.

Применение ультразвука в эхолокации [ править | править код ]

В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.

В автомобилях применяются ультразвуковые парктроники.

Применение ультразвука в расходометрии [ править | править код ]

Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 1960-х годов в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры.

Применение ультразвука в дефектоскопии [ править | править код ]

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Ультразвуковая сварка [ править | править код ]

Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднён, при соединении разнородных металлов, металлов с прочными оксидными плёнками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.), при производстве интегральных микросхем.

Применение ультразвука в гальванотехнике [ править | править код ]

Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

• Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
• Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
• При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
• Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
• Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

• Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
• Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
• Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
• При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

• Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
• Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

• Получение данных о конкретном веществе.
• Обработка и передача сигналов.
• Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

• Молекулярные процессы в различных структурах.
• Определение концентрации веществ в растворах.
• Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

• Металлизация.
• Ультразвуковая очистка.
• Дегазация жидкостей.
• Диспергирование.
• Получение аэрозолей.
• Ультразвуковая стерилизация.
• Уничтожения микроорганизмов.
• Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

• Коагуляция.
• Горение в ультразвуковой среде.
• Сушка.
• Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

• Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
• Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
• Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвук может действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

• Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
• Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
• Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвук широко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

• В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
• Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
• При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
• Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
• Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Ультразвук и его свойства

В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.

Ультразвук — механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны, частота и период. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

• 1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
• 2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

Потребности морского флота ведущих держав — Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» от греческого слова, означающего «нажать». Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом — Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена — Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Конспект урока «Звуковые волны. Применение ультразвука.»

Конспект урока

Тема: Звуковые волны. Применение ультразвука в технике и медицине.

Цель: показать разнообразие звука и звуковых волн, генерацию их и фиксирование;

инфразвук и ультразвук, их применение в технике и медицине (польза физики).

Оборудование: камертон с молоточком. Презентация.

Тип урока: изучение нового материала с использованием ИКТ.

Ход урока

Мотивационно – организационный момент:

Проверка готовности к уроку

Проверка наличия учащихся на уроке

Актуализация знаний:

определение волны;

основное свойство волны;

характеристики волн.

Блиц – опрос: Герц, амплитуда, период, метр, секунда, маятник, колебание, качели, частота, цикл

Объяснение нового материала:

Проблема:

№ 1: Вы никогда не пробовали выяснить, почему, когда вы стоите в соседней комнате и что-то говорите, то ваш голос слышит другой человек в другой комнате?

№ 2: Вспомните детство, как вы воплощали некоторые музыкальные фантазии на пустых бутылках? Это самый популярный и понятный способ для детей, чтобы понять что такое звуковые волны.

Теперь давайте приступим непосредственно к рассмотрению вопросов связанных с звуковыми волнами!

Звуковые волны – это вибрации, созданные в воздухе. Звуковые волны, как правило, отражаются от поверхности или объекта и таким образом создаётся устойчивая вибрация в воздухе. Например, если в замкнутом помещении находятся два человека, то их голоса будут отражаться от объектов, присутствующих в этой комнате, деревянная мебель, стены, кровати и т.д., и таким образом звук создается вокруг тех объектов, с которыми они взаимодействовали. Таким образом, мы слышим друг друга. Интересная ситуация будет происходить в космосе. Вы, наверное, слышали, что в космосе не может быть звука. А не может быть его потому, что в космосе нет воздуха и соответственно нечему вибрировать, тем самым, создавая звук!

Наука о звуках называется акустикой. Звук — это по сути колебания воздуха под давлением, то есть волны. Скорость звука в среднем в воздухе 1193 км/ч или составляет 331.46 м/с. ‎Скорость звука зависит от среды, через которую проходят волны, и часто является характеристикой основного показателя материала.

Звуковые волны, проходящие через жидкости и твёрдые тела, могут изменяться. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах. В твёрдых телах скорость звука составляет 2000—6000 м/с.

Звуковые волны не могут передвигаться в среде вакуума и пустом пространстве, так как нет воздуха и нет ничего, чтобы могло предпринять обратные меры.

Когда звук распространяется через воду, звук движется в 4 раза быстрее, чем  через воздух и составляет 1485 м/с.

№ 3: Почему мы видим молнию раньше, чем звук грома? Часто данный вопрос можно услышать как от детей, так и от взрослых. Скорость света гораздо больше чем скорость звука. Поэтому мы сначала видим молнию и только потом до нас доходит звук!

Если звуковые колебания быстрые, звук будет высоким и если колебания медленные, звук является низким.

Звуковые волны ощущаются не только ушами человека, но и все тело может чувствовать звуковые колебания на определенной частоте.

Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком.

Среди слышимых звуков следует особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Звуковые волны кроме скорости распространения имеют характеристики: амплитуду, частоту, скорость, высоту и тембр звука.

Мир полон звуков и без музыки. Шумит улица, шумит заводской цех, а вдали от города шумит природа: ветром в листве деревьев, дождем в траве, морским прибоем. Человек так привык к шуму, что полная тишина для него — нелегкое испытание.

С утра до вечера объятые шумом, иногда сверх всякой меры, мы все же в любое мгновение можем выделить из этого шума музыкальный звук. Даже не ансамбль и не мелодию, а просто один-единственный звук. Ребёнок пиликнул на скрипке, трубач дунул в трубу, кто-то просто задел струну гитары — и мы уже отмечаем про себя: звучит музыкальный инструмент. Мы можем  его даже и не видеть. Звук для нашего уха — это всего лишь колебания воздуха. Значит, в этих колебаниях содержится все, что отделяет музыкальный звук от шума. И все, что отличает один музыкальный звук от другого

Тембр определяется присутствием в звуке обертонов (призвуков) и зависит от источника звука. По тембру звуки очень разнообразны.

Громкость звука, величина, характеризующая слуховое ощущение для данного звука и которая не должна превышать порога болевого ощущения (величина звукового давления, при которой в ухе возникает ощущение боли).

Как можно получить (генерировать) звук?

Примером генерации может служить использование голосовых связок, динамиков или камертона. Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты, в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте.

Свойства звуковых (ультразвуковых)волн:

• дифракции,

• интерференции,

• поглощения (его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань — 6,8 см; мышечная — 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе — 4,9 см),

• отражения,

• рассеяние

• преломление ( акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис — дерма — фасция — мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн).

Звуковые волны помогают животным и насекомым, чтобы обнаружить опасности. Волны выступают в качестве предупредительного сигнала о возможных атаках.

Собаки могут слышать ультразвуковые и инфразвуковые волны звука на более высокой частоте по сравнению с людьми.

Применение ультразвука.

1. Медицина.

Ультразвук используется для диагностики, терапевтического и хирургического лечения в различных областях клинической медицины. Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей используется для исследования внутренних органов. Ультразвуковые методы диагностики в ряде случаев позволяют более тонко различать структуру тканей, чем рентгеновские. Так обнаруживаются опухоли мягких тканей, часто не различимые др. способами.

Ультразвук применяют в акушерстве для диагностического исследования плода и беременной женщины, в нейрохирургии — для распознавания опухолей в головном мозге (эхоэнцефалография), в кардиологии — для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы сердца. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей.

— связана с разрушением тканей собственно звуковыми колебаниями: применяется фокусированный ультразвук с частотами порядка 106— 107 гц,

— с наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент: колебания на частотах 20—75 кгц с амплитудой 10—50 мкм. Ультразвуковые инструменты применяются для рассечения мягких и костных тканей, позволяя при этом существенно уменьшать усилие резания, кровопотери и болевые ощущения.

Ультразвук используют для сварки сломанных костей: при этих операциях костной стружкой, смешанной с жидкой пластмассой, заполняют пространство между костными отломками; под действием ультразвука образуется их соединение.

В настоящее время лечение ультразвуковыми колебаниями получили очень большое распространение. Используется, в основном, ультразвук частотой от 22 – 44 кГц и от 800 кГц до 3 МГц. Глубина проникновения ультразвука в ткани при ультразвуковой терапии составляет от 20 до 50 мм, при этом ультразвук оказывает механическое, термическое, физико-химическое воздействие, под его влиянием активизируются обменные процессы и реакции иммунитета. Ультразвук используемых в терапии характеристик обладает выраженным обезболивающим, спазмолитическим, противовоспалительным, противоаллергическим и общетонизирующим действием, он стимулирует крово- и лимфообращение, как уже было сказано, процессы регенерации; улучшает трофику тканей. Благодаря этому ультразвуковая терапия нашла широкое применение в клинике внутренних болезней, в артрологии, дерматологии, отоларингологии и др.

1. Техника.

Используя явление отражения на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий, для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях.

Объединенные с компьютером, помогают контролировать качество сварных швов, бетонных опор и плит, а также для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.).

Даёт возможность видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде.

• Ультразвуковая голография

• Гидроакустика (эхолот, гидролокатор)

Упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся в морской воде. На принципе отражения ультразвуковых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения.

• Ультразвуковую аппаратуру также с успехом применяют для резки и сверления металлов, стекла и других материалов.

• Ультразвук можно использовать для измельчения вещества – например, для приготовления тонко размолотого цемента или асбеста, для получения однородных эмульсий, для очистки жидкости или газа от примесей.

• С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты. Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный, чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в аэрозольных баллончиках.

Ультразвук в природе.

 Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20 кгц. Так, птицы болезненно реагируют на ультразвуковые частоты более 25 кгц, что используется, например, для отпугивания чаек от водоёмов с питьевой водой. Мелкие насекомые при своём полёте создают ультразвуковые волны. Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или вовсе не имея его, ориентируются в полёте и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы с частотой повторения несколько Гц и несущей частотой 50—60 кГц. Дельфины излучают и воспринимают ультразвук до частот 170 кГц; метод ультразвуковой локации у них развит, по-видимому, ещё совершеннее, чем у летучей мыши.

Инфразвук — упругие волны с частотой менее 16 Гц.

Медузы и инфразвуки

На краю купола медузы расположены примитивные глаза, статоцисты и слуховые колбочки. Размеры их сравнимы с размерами булавочной головки. С их помощью медузы воспринимают инфразвуки с частотой 8—13 Гц.

Перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлёстывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания, расходящиеся на сотни километров, их улавливает медуза. Купол медузы усиливает инфразвуковые колебания как рупор, и передаёт на слуховые колбочки. Восприняв этот сигнал, медузы уходят на дно за 20 часов до начала шторма на данной местности.

Бионики создали технику, предсказывающую бури, работа которых основана на принципе работы инфрауха медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.

Домашнее задание:

Закрепление:

1. Где скорость звука больше, в воздухе или в железе? Может ли звук распространяться в вакууме?

2. Какова длина звуковой волны с частотой 200Гц в воздухе и в воде?

Самостоятельная работа №4: «Применение ультразвука в живой природе, технике, медицине» (по 2 примера).

Ультразвук и его применение в науке и технике

Ультразвуковое руководство и терапия | IntechOpen

1. Введение

Минимально инвазивная и неинвазивная терапия под визуальным контролем может уменьшить хирургические травмы и улучшить исход для пациентов, страдающих от самых разных заболеваний. Это также может сократить сроки пребывания в больнице и расходы. Ультразвук является важным методом интраоперационной визуализации для руководства и мониторинга этих терапевтических методов. Ультразвук стал одним из основных методов медицинской визуализации в здравоохранении, основной причиной которого является его способность отображать мягкие ткани, кровоток, функции органов и физиологию со значительно улучшенным качеством изображения.Кроме того, ультразвук обладает уникальными преимуществами визуализации в реальном времени, портативности оборудования, безопасности и низкой стоимости. В ближайшие 10 лет ультразвук столкнется с изменением парадигмы в технологии и клиническом применении. Будущий потенциал будет высвобожден за счет исследования в области знаний и инноваций в массивах датчиков, ультразвуковой электронике, программном формировании луча, параллельной визуализации и сжатых измерениях, визуализации с минимальной дифракционной волной, получении изображений с использованием модели и новых технологиях для широкого спектра методов, связанных с физиологией. , свойства тканей и функции органов в реальном времени и на месте.Высокочастотная ультразвуковая визуализация позволяет получить значительно улучшенное пространственное разрешение, однако с ограничениями, связанными с тем, насколько глубоко в ткани может быть выполнено визуализация. Во многих хирургических и терапевтических операциях с визуализацией ультразвуковое исследование выполняется с помощью датчиков, помещаемых непосредственно на интересующую ткань и орган (например, внутрисосудистое ультразвуковое исследование, кардиохирургия открытой грудной клетки, датчики пищевода для визуализации сердца, датчики, предназначенные для хирургии гипофиза). Эти приложения ограничивают размер головки ультразвукового зонда и, следовательно, качество изображений.Однако с помощью миниатюризации на основе наноматериалов и технологии наноэлектроники можно добиться значительного улучшения качества изображения. Кроме того, новая ультразвуковая технология может значительно улучшить обнаружение контрастных веществ и носителей лекарств в тканях. Интеграция визуализации с навигационными технологиями упростит интерпретацию изображений и еще больше повысит точность и точность терапевтической процедуры. Ультразвуковая техника также может использоваться в терапевтических целях. Сфокусированный ультразвук высокой интенсивности (HIFU) для удаления опухолевой ткани уже является коммерческим продуктом.Также было показано, что ультразвук может улучшить доставку и распределение наночастиц и местную доставку лекарств за счет усиления местного высвобождения, улучшения проникновения через стенку капилляров и через внеклеточный матрикс, а также за счет увеличения клеточного поглощения. Основные механизмы — кавитация, радиационная сила и нагрев. Временное увеличение пористости и проницаемости клеточных мембран, вызванное ультразвуком, может потенциально усилить поглощение лекарств через тканевые барьеры (также гематоэнцефалический барьер) и улучшить местную доставку лекарств.

Терапевтическое использование ультразвука будет рассмотрено в конце этой главы, которая в основном касается безопасного введения инструментов в тело с помощью ультразвука, а также технологических решений, используемых для усиления ультразвука в сочетании с другими методами и методами. Ультразвук уже давно используется для ввода интервенционных инструментов в тело. Использовались разные подходы. От ручного 2D-наведения через «игольчатые» направляющие, установленные на обычных ультразвуковых датчиках, до ультразвуковой навигации с использованием технологии отслеживания и трехмерного ультразвука (см. Рисунок 1).Хирургическая навигация будет в центре внимания этой главы, и аналогия с GPS-навигацией в автомобиле очевидна; вместо нанесения положения автомобиля на электронные карты местности с помощью спутников и GPS-приемников, положение важных хирургических инструментов отображается на медицинских изображениях пациента с использованием высокоточных систем слежения. Системы для хирургии под визуальным контролем теперь хорошо зарекомендовали себя во многих клинических дисциплинах. Хирургические инструменты можно отслеживать с помощью систем позиционирования, и хирург может точно вводить инструменты в пациента с высокой точностью только на основе информации об изображении.Показано, что интраоперационная визуализация важна для улучшения резекции опухоли и увеличения выживаемости онкологических больных, перенесших операцию. Интеграция интраоперационной визуализации с навигационной технологией, предоставляющая хирургу обновленную информацию об изображении и , важна для работы со сдвигами и деформациями тканей, которые происходят во время операции. МРТ, КТ и УЗИ были представлены как альтернативные методы интраоперационной визуализации, показывающие дополнительную информацию и имеющие различные преимущества и недостатки.Сообщается, что эти методы интраоперационной визуализации полезны для точной навигации хирургических инструментов, отслеживания прогресса операции и решения проблемы смены. Интраоперационная визуализация использовалась для обновления предоперационных изображений, что может быть важно для точного руководства. В последние годы УЗИ привлекло повышенное внимание как полезный метод интраоперационной визуализации (см. Рис. 2) из-за улучшенного качества изображения и относительно низкой цены. Кроме того, были представлены более интегрированные решения, делающие технологию удобной и гибкой.В развитии следующего поколения мультимодальных навигационных систем на основе ультразвука важными составляющими являются достижения в области ультразвуковой визуализации, алгоритмов регистрации, методов визуализации и отображения, а также точности навигации. Поэтому мы начнем с изучения технологии, которая необходима для того, чтобы сделать навигацию на основе ультразвука реальностью, а затем покажем ключевые приложения этой технологии. Последние достижения в области ультразвуковой визуализации будут полезны также для интраоперационной визуализации.Кроме того, ультразвук должен быть интегрирован с технологией отслеживания, чтобы создать навигационную систему с возможностями интраоперационной визуализации. Кроме того, такая система может использовать предоперационные данные КТ / МРТ, обновлять эти данные для соответствия текущей анатомии пациента с помощью интраоперационного ультразвука, извлекать важные структуры из различных наборов данных, оптимальным образом представлять доступную мультимодальную информацию хирургу. и иметь возможность отслеживать все хирургические инструменты. И последнее, но не менее важное: нам необходимо убедиться, что система навигации имеет высокую точность, чтобы мы знали, что сцена навигации, представленная хирургу на экране компьютера, является реалистичным представлением того, что на самом деле происходит внутри пациента.

Рис. 1.

Ультразвуковое сопровождение: A) Направление от руки: задача иметь длинную ось инструмента в 2D ультразвуковой плоскости. B) Направляющие для иглы: адаптер, установленный на датчике, обеспечивает нахождение инструмента в плоскости 2D-ультразвука. C) Навигация: технология отслеживания и трехмерные данные от таких методов, как КТ, МРТ и ультразвук, используются для направления соответствующих хирургических инструментов на место. Здесь ультразвуковой датчик направляется магнитно-резонансным томографом во время ультразвукового исследования в 3D от руки

Рис. 2.

A) Рабочий процесс: важные шаги в хирургии под визуальным контролем. B) Пример навигации на основе ультразвука из нейрохирургии: планирование с использованием предоперационной МРТ. Сделайте интраоперационное 3D-УЗИ. Контроль навигации и резекции на основе обновленных ультразвуковых изображений. При необходимости получите дополнительные данные УЗИ.

2. Последние достижения в области ультразвуковой визуализации

Звук в диапазоне слышимости человека имеет частоты от 20 до 20 000 Гц. Ультразвук определяется как звук с частотами выше 20 кГц.В медицинской визуализации частоты ультразвука обычно составляют от 2 до 40 МГц, при этом самые высокие частоты в настоящее время используются при внутрисосудистом ультразвуковом исследовании (ВСУЗИ).

Генерация ультразвукового изображения основана на передаче звуковых импульсов и получении эхо-сигналов, отраженных от границ тканей или рассеянных от более мелких объектов. В большинстве современных сканеров узкий ультразвуковой луч передается от ультразвукового преобразователя. Когда передаваемый импульс давления встречает препятствие в виде границы между различными мягкими тканями или точек рассеяния в ткани с различными акустическими свойствами, часть энергии передаваемого звукового импульса отражается обратно на датчик.Этот принцип эхо-импульса лежит в основе всех методов ультразвуковой визуализации, таких как визуализация органов в обычном режиме яркости (B-режим), визуализация кровотока с использованием допплеровских методов и исследование механических свойств тканей с использованием методов ультразвуковой эластографии.

2.1. Достижения в ультразвуковом оборудовании и технологии датчиков

Ультразвуковые аппараты и ультразвуковые датчики претерпели значительные улучшения за последнее десятилетие. Общее увеличение мощности компьютеров открывает новые возможности для реализации сложных методов формирования луча.Это может привести к более высокому разрешению и лучшему качеству изображения, чем существующие решения [1]. Общая тенденция к миниатюризации компонентов также сильно повлияла на размер систем ультразвуковой визуализации. Были разработаны небольшие портативные ультразвуковые устройства, которые делают ультразвук чрезвычайно портативной технологией визуализации. Одним из примеров такого карманного ультразвукового устройства является Vscan от GE Healthcare (рис. 3), который был исследован для использования в эхокардиографии [2]. Технология ультразвуковых преобразователей за последнее десятилетие достигла огромного прогресса.Количество элементов, используемых преобразователем, увеличивается, и наблюдается тенденция перехода от однорядных элементов (1D) к многострочным массивам (1,25D / 1,5D) и двумерным матричным массивам. Последний предоставляет возможность выполнять 4D ультразвуковую визуализацию, при которой объем трехмерного ультразвукового исследования регистрируется и отображается в реальном времени. 4D ультразвуковое изображение также может использоваться для мониторинга лечения, например радиочастотная абляция [3].

Рис. 3.

Карманный ультразвуковой сканер (Vscan от GE Healthcare)

Сегодня ультразвуковые матрицы в основном основаны на пьезоэлектрических материалах.Исследования в области технологии MUT (микромашинных ультразвуковых преобразователей) и, возможно, особенно преобразователей CMUT (емкостные преобразователи частоты) открывают путь для кремниевых решеток [4]. Это может привести к появлению более дешевых, более настраиваемых датчиков с более высокими частотами и полосой пропускания по сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями. В сочетании с непрекращающейся тенденцией к миниатюризации, CMUT могут в долгосрочной перспективе позволить полностью интегрировать ультразвуковые системы с хирургическими инструментами.Вполне возможно, что будущий хирургический инструмент будет иметь ультразвуковой преобразователь, встроенный в наконечник, и блок отображения, встроенный в рукоятку.

2.2. Ультразвуковая эластография

Понятие ультразвуковой визуализации деформации или эластичности тканей часто называют ультразвуковой эластографией, а соответствующие 2D-изображения часто называют эластограммами. Технику визуализации часто объясняют как аналог пальпации, когда врач слегка надавливает пальцами, чтобы проверить жесткость ткани.Если орган вибрирует или возбужден, методы ультразвуковой эластографии можно аналогичным образом использовать для картирования областей с различиями в деформации (рис. 4).

Рисунок 4.

Эластография. A) Ультразвуковое изображение небольшой менингиомы в B-режиме и B) Ультразвуковая эластограмма опухоли, отображаемая на сканере Ultrasonix MDP.

Теоретическая основа для изучения поведения вибрирующих мягких тканей была создана в начале 1950-х годов. Von Gierke et al. опубликовал, например, «Физика колебаний в живых тканях » в 1952 г. [5].Однако только 30 лет спустя движение тканей было впервые измерено в клинических целях с помощью ультразвука при исследовании движения тканей в печени, вызванного пульсацией сосудов [6, 7]. В конце 1980-х годов были разработаны методы визуализации вибрационной эластографии, также известные как соноэластография амплитуды вибрации или просто визуализация соноупругости [8]. В этом методе низкочастотная вибрация (20-1000 Гц) применяется снаружи к поверхности кожи для исследования подкожных структур.Внутреннее движение ткани исследуется с помощью метода импульсного допплера. Жесткая ткань по-другому реагирует на вибрации, чем более мягкая ткань, и поэтому ее можно различить на изображениях в реальном времени.

В начале 1990-х годов началось развитие компрессионной эластографии, также называемой квазистатической визуализацией эластичности. Офир опубликовал статью в 1991 году, в которой данные ультразвуковых радиочастот (RF) до и после применения сжатия сравнивались и обрабатывались с использованием взаимной корреляции для получения временных сдвигов эхо-сигналов.Это позволило в последующем рассчитать эластограммы [9]. Квазистатическая эластичность подразумевает, что сила прикладывается в течение достаточно длительного времени для стабилизации деформации ткани, и можно рассчитать результирующую разницу во времени прохождения эхо-сигнала между ультразвуковыми данными, полученными до и после сжатия. Ткань также может быть возбуждена путем приложения сил на поверхности (вручную или с помощью электромеханических устройств) или физиологических процессов внутри органа, таких как, например, пульсация артерий.Сгенерированные эластограммы обычно отображаются в виде наложения с цветовой кодировкой на обычное изображение в режиме яркости ультразвука. Цветовое отображение может охватывать диапазон значений деформации без единицы измерения в процентах от минимальной (отрицательной) деформации до максимальной (положительной) деформации. В качестве альтернативы, он также может быть отображен от «мягкой» к «твердой» ткани, тем самым не определяя отображаемый диапазон деформации. Квазистатическая визуализация эластичности оценивалась в широком спектре клинических приложений. Сообщалось о его использовании для диагностики опухолей, например, груди, простаты, печени, щитовидной железы и головного мозга (рис. 4) [10-15].Квазистатическая визуализация эластичности — это развивающийся метод ультразвуковой визуализации, который в настоящее время становится все более доступным в качестве опции для коммерческих ультразвуковых систем.

Как объяснялось ранее, методы эластографии требуют возбуждения ткани. Движение ткани может быть вызвано физиологическими процессами внутри органа, такими как пульсация артерий. Ткань также можно возбуждать извне, толкая ткань вручную или используя электромеханическое вибрирующее устройство.Альтернативный подход заключается в использовании силы акустического излучения сфокусированного ультразвукового луча для создания смещений в ткани с последующим определением механических свойств. Одним из примеров такого подхода является метод импульса силы акустического излучения (ARFI), разработанный в Университете Дьюка [16]. В этом методе короткие акустические импульсы (толкающие импульсы) используются для создания небольших локальных смещений глубоко в ткани. Эти смещения отслеживаются с помощью ультразвуковой взаимной корреляции аналогично тому, как это делается при визуализации квазистатической упругости.Метод был исследован для визуализации очаговых поражений печени, простаты и груди [17-19].

Другой пример — инновационный метод визуализации сверхзвукового сдвига (SSI), разработанный исследовательской группой Laboratoire Ondes et Acoustique [20]. В SSI сила акустического излучения используется для создания низкочастотных поперечных волн (50-500 Гц) удаленно в ткани. Модуль сдвига ткани может быть определен количественно путем визуализации распространения волны в ткани с использованием частоты кадров ультразвука в несколько кГц.Метод был исследован для диагностики фиброза печени, поражений груди и роговицы [21-23].

Для более подробного обзора методов ультразвуковой визуализации эластичности и их клинического применения мы рекомендуем прочитать обзорные статьи Уэллса и Ляна [24] и Паркера, Дойли и Рубенса [25].

2.3. Нелинейная акустика и контрастные вещества

В 1980 году Карстенсен и Мьюир опубликовали две статьи, описывающие важность нелинейной акустики в области медицинской ультразвуковой визуализации [26, 27].В этих статьях были предсказаны и продемонстрированы нелинейные акустические эффекты, относящиеся к интенсивностям и частотам, обычно используемым в биомедицинской визуализации. За последние 30 лет наблюдается возрастающий интерес к нелинейной биомедицинской акустике. Этот интерес был дополнительно усилен введением ультразвуковых контрастных агентов в форме микропузырьков, и изучение этих микропузырьков стало основным стимулом для внедрения техники гармонической визуализации тканей.

Нелинейные эффекты могут быть важны при распространении прямой волны.Уровни давления обратного рассеяния эхо-сигналов обычно слишком низки, чтобы вызвать какие-либо существенные нелинейные эффекты. Одним из источников нелинейных членов является деформация элементов объема ткани во время сжатия и расширения с сильно искривленными фазовыми фронтами. Однако обычно используют передающие лучи с относительно гладкими фазовыми фронтами. Следовательно, этот нелинейный источник обычно не самый доминирующий. Другой важный нелинейный источник — это нелинейные составляющие эластичности ткани и, следовательно, отношения между акустическим давлением и сжатием / расширением ткани.Нелинейные члены эластичности ткани ответственны за то, что ткань становится более жесткой при сжатии и более мягкой при расширении. Сжатие также увеличивает массовую плотность ткани, но этот эффект уступает повышенной жесткости и скорости распространения и, следовательно, будет зависеть от давления и будет увеличиваться с увеличением сжатия и, следовательно, с увеличением давления. Возникающее в результате искажение поля передаваемого давления создает гармонические составляющие, которые сегодня используются в гармонической визуализации тканей, особенно при чрескожной визуализации сердца и брюшной полости для подавления множественного рассеяния [28-31].

Ультразвуковая визуализация основана на нескольких предположениях, и одно важное допущение состоит в том, что многократным рассеянием пренебрегают. Для многих органов это приближение справедливо. Однако для стенки корпуса, где часто встречаются большие вариации параметров материала, это предположение может быть неадекватным. Интерфейсы между компонентами мягких тканей со значительными различиями в параметрах материалов дают настолько сильные эхо-сигналы от передаваемых акустических импульсов, что многократное рассеяние может иметь значительные амплитуды.Такое многократное рассеяние принято называть реверберацией импульсов [32, 33]. Эти реверберации уменьшают отношение самого сильного рассеивателя к самому слабому, которое может быть обнаружено в непосредственной близости друг от друга, что определяется как контрастное разрешение изображения. Снижение контрастного разрешения, в частности, является проблемой при визуализации гипоэхогенных структур, таких как камеры сердца, просвет крупных кровеносных сосудов, некоторых атеросклеротических поражений, кист, некоторых опухолей, желчного пузыря, а также при визуализации плода.Контактная поверхность между самим ультразвуковым преобразователем и мягкими тканями также является сильным отражателем, усугубляющим проблему многократного рассеяния.

Контрастные вещества для ультразвука представляют собой суспензию микропузырьков газа, заключенных в тонкие стабилизирующие оболочки из липидов или альбумина. Типичный размер пузырьков находится в диапазоне 1-5 мкм, и контрастные пузырьки вводятся внутривенно, чтобы увеличить рассеяние от крови, которое является слабым по сравнению с рассеянием от мягких тканей.Коммерчески доступные контрастные пузырьки стабильны и достаточно малы, чтобы обеспечить транспульмональный проход, а период полувыведения из крови обычно находится в диапазоне 1-10 минут. Рассеяние от микропузырьков, возникающих внутри жидкости, является резонансным благодаря взаимодействию между совместно колеблющейся жидкой массой вокруг пузырька и упругостью сжатия пузырька [34] с типичными резонансными частотами 1-7 МГц. При достаточно гибких оболочках пузырек газа имеет очень высокую податливость по сравнению с окружающей кровью, и при возбуждении ультразвуковыми импульсами на частотах ниже или около резонансной частоты пузыря достигаются большие отклонения радиуса пузыря порядка одного микрометра, главным образом, за счет сдвига. деформация и ограниченное объемное сжатие крови, окружающей пузырь.Это смещение радиуса пузырька на один-два порядка больше, чем типичное смещение частиц, получаемое в мягких тканях. Радиус колебания пузырька может быть получен из уравнения Рэлея-Плессета [35, 36]:

ρaa¨ + 32a˙2 = -Ba, a˙- pi (t) E1

, где ρ — массовая плотность пузырька. окружающей жидкости, a — радиус пузырька (где зависимость от времени для удобства опущена), B — давление, создаваемое газом и герметизирующей оболочкой, pi — падающее давление привода, а точки представляют дифференциацию по времени, так что a и a¨ представляют скорость и ускорение стенки пузырька соответственно.Члены в левой части представляют собой силы ускорения массы совместно колеблющейся жидкости, тогда как члены в правой части представляют термины давления, обусловленные упругостью газа и оболочки в дополнение к давлению привода. Давление пузырька B может быть записано

Ba, a˙ = — p0 + 2σa0a0a3κ- Sa0, a + p0 + 2σa + μa˙aE2

где первый член — это давление газа, а κ — показатель политропы газа, а a0 — равновесный пузырь. радиус. Второй член S представляет собой вклад давления от герметизирующей оболочки, а p0 представляет собой гидростатическое давление окружающей среды.Четвертый член учитывает поверхностное натяжение из-за границы раздела газ-жидкость, а последний член учитывает эффекты демпфирования. Когда контрастный пузырек озвучивается частотами ниже или около его резонансной частоты, локальное нелинейное рассеяние от контрастного пузыря обычно намного больше, чем от мягких тканей [37, 38]. Это привело к появлению нескольких методов нелинейного ультразвукового обнаружения контрастного вещества с целью подавления линейной части принимаемого сигнала при сохранении в максимально возможной степени нелинейной части принимаемого сигнала.Затем это используется для низких уровней давления передачи. Распространение прямой волны близко к линейному, тогда как рассеяние на микропузырьках может быть сильно нелинейным. Сегодня широко используются методы импульсной инверсии, которые обнаруживают четные гармонические составляющие [39, 40]. Также используются методы амплитудной модуляции [41], часто в сочетании с методами импульсной инверсии [42-44].

Рис. 5.

Численное моделирование колебаний пузырька с равновесным радиусом 2 мкм и резонансной частотой 2.5 МГц. Верхние панели показывают импульс возбуждения, средние панели показывают результирующие колебания радиуса пузырька, а нижние панели показывают компоненту дальнего поля рассеянного давления от пузырька. На левой панели отображаются импульсы во временной области, тогда как модуль преобразования Фурье отображается на правой панели.

Уравнения, описывающие колебания пузырька, можно решить численно. Пример пузырька с равновесным радиусом 2 мкм показан на рисунке 5. Падающий импульс возбуждения с центральной частотой около 2 МГц отображается во временной и частотной области на верхней панели.На средней панели изображены результирующие колебания радиуса пузырька, а на нижней панели отображается результирующая нормализованная компонента дальнего поля рассеянного давления от пузырька. Видно, что отклик сильно нелинейный, и в рассеянном давлении пузыря присутствует несколько гармонических составляющих. Этот отклик получается с падающим импульсом возбуждения, имеющим механический индекс, равный 0,07, что очень мало по сравнению с тем, что используется для обычного изображения ткани.При таких низких уровнях давления передачи прямое распространение волны будет близко к линейному, и искажение поля передачи из-за нелинейной эластичности ткани, таким образом, будет очень низким. Затем гармонические составляющие можно использовать для дифференциации пузырьковых эхо-сигналов от тканевых эхо-сигналов с помощью импульсных схем с инверсией импульса и амплитудной модуляцией. В большинстве клинических применений контрастных агентов для ультразвука желательно оценить микроциркуляцию или перфузию тканей, что невозможно сделать без использования контрастных агентов и что часто связано с различными заболеваниями.Затем необходимо добиться сильного подавления сигнала ткани для обнаружения сигнала контрастного пузырька.

Примером использования контрастных агентов для ультразвука в отношении минимально инвазивных вмешательств является радиочастотная абляция опухолей печени, при которой ультразвук с контрастным усилением используется для улучшенного обнаружения и визуализации поражений, для планирования и наведения нескольких игольчатых электродов и, наконец, для немедленная оценка лечения [45].

SURF (Ультразвуковое поле второго порядка) — это метод нелинейной ультразвуковой визуализации, разрабатываемый в Тронхейме [46-50].Он основан на передаче двухчастотных импульсных комплексов, состоящих из низкочастотного управляющего импульса и высокочастотного импульса формирования изображения, которые распространяются вместе. Два комплекса импульсов передачи, которые могут использоваться с методом SURF, показаны на рисунке 6. При использовании обычных импульсов передачи с одной полосой частот нелинейные эффекты в основном ограничиваются генерацией гармонических составляющих импульса формирования изображения. При использовании импульсов передачи в двух частотных диапазонах в игру вступают и другие нелинейные эффекты.Визуализация SURF направлена ​​на дальнейшее использование нелинейной акустики для улучшения визуализации различных тканей и ультразвуковых контрастных веществ.

Рис. 6.

Пример комплексов импульсов передачи SURF, в которых низкочастотный импульс манипуляции на 1 МГц распространяется вместе с высокочастотным импульсом формирования изображения на 10 МГц. Импульс высокочастотной визуализации находится на левой и правой панели при низком и высоком давлении манипуляции соответственно.

Для визуализации ультразвуковых микропузырьков традиционные методы основаны на приведении пузырька в сильные нелинейные колебания с помощью импульса визуализации с относительно низкими механическими показателями.Это обычно возможно, когда частота визуализации ниже или около резонансной частоты пузырька (как в примере на рисунке 5), а обычные контрастные вещества обычно имеют резонансные частоты ниже 7 МГц. Однако, когда частота формирования изображения выше резонансной частоты пузырька, требуется гораздо более высокий механический индекс для получения значительного нелинейного обратного рассеяния от пузырька. При более высоких механических индексах ткань также будет реагировать нелинейно, и тогда становится трудно отличить сигнал ткани от сигнала пузыря.Для получения контрастных изображений на высоких частотах, таких как 10–30 МГц, которые могут использоваться при минимально инвазивных вмешательствах, когда зонд может находиться близко к изображаемому объекту, традиционные методы контрастного изображения часто имеют ограничения. Двухдиапазонная технология SURF имеет некоторые преимущества, поскольку низкочастотный управляющий импульс может быть настроен в соответствии с резонансной частотой пузырька (обычно около 2–3 МГц), тогда как высокочастотный импульс визуализации может быть оптимизирован для объекта, на котором создается изображение, и может, например, быть 20 МГц.Затем низкая частота управляет колебаниями пузырьков и обратным рассеянием, которые запрашиваются высокочастотным импульсом. Таким образом, высокочастотный импульс формирования изображения не связан с резонансными свойствами контрастных пузырьков.

3. Навигация на основе ультразвука — Технологии поддержки

Ультразвуковая визуализация на современном уровне имеет решающее значение для проведения вмешательства. Но в отличие от указаний от руки и указаний, основанных на ультразвуковых шаблонах (рис. 1), оптимальных изображений на ультразвуковом сканере недостаточно для обеспечения хирургической навигации.Чтобы использовать ультразвуковую навигацию для проведения таких процедур, нам обычно необходимо:

• Получить изображения из ультразвукового сканера в навигационное программное обеспечение в режиме реального времени.

• Постоянно отслеживайте положение и ориентацию ультразвукового датчика.

• Синхронизируйте потоки изображения и отслеживания (временная калибровка) и найдите преобразование между датчиком отслеживания, установленным на ультразвуковом датчике, и плоскостью ультразвукового сканирования (пространственная калибровка), что представляет интерес для отслеживания.

• Восстановите все ультразвуковые кадры с позиционной меткой из обычного ультразвукового датчика 2D в обычный трехмерный объем, который можно использовать так же, как предоперационную МРТ или КТ.

3.1. Потоковая передача ультразвуковых данных

Для удобной навигации хирургических инструментов на основе ультразвука требуется доступ в реальном времени к ультразвуковым данным в навигационном программном обеспечении (рис. 7). Это требуется для того, чтобы пометить ультразвуковые кадры данными о положении и ориентации из системы отслеживания (в качестве альтернативы данные отслеживания могут быть направлены непосредственно в сканер, а ультразвуковые кадры могут использоваться в автономном режиме, например.грамм. для создания 3D-объема из помеченных 2D-кадров). Традиционный способ получения доступа к ультразвуковым кадрам в режиме реального времени — подключить аналоговый выход (например, композитное видео, S-video) ультразвукового сканера к карте захвата кадров на навигационном компьютере. Использование аналогового выхода может повлиять на качество изображения из-за двойного цифро-аналого-цифрового преобразования, а метаданные (например, глубина) не следуют за ультразвуковыми изображениями. В качестве альтернативы цифровые данные могут быть переданы прямо с ультразвукового сканера в навигационный компьютер.Традиционно для этого требовалось какое-то исследовательское сотрудничество между производителем ультразвуковых устройств и пользователем, но становятся доступными открытые ультразвуковые сканеры (например, сканер Ultrasonix). Эти системы обычно предоставляют только односторонний потоковый интерфейс, но существуют протоколы двусторонней связи, в которых сканер может управляться (например, глубиной) с помощью навигационной системы, что делает возможными более интегрированные решения (рисунок 7). В любом случае используемый протокол (или интерфейс / API) обычно является проприетарным, хотя предложения по стандартам реального времени начинают появляться (например,грамм. OpenIGTLink, DICOM в хирургии (WG24)). Когда связь между ультразвуковым сканером и навигационной системой является цифровой, ультразвуковые данные на разных этапах цепочки обработки на сканер могут передаваться (например, преобразованные при сканировании, строковые и радиочастотные данные). Кроме того, потребуется интерфейс цифровой потоковой передачи, чтобы использовать 3D-сканеры в реальном времени, которые теперь становятся доступными также для навигации. Сложно захватить трехмерный контент на дисплее сканера с помощью фреймграббера, поэтому данные необходимо передавать в режиме реального времени или маркировать с помощью ссылки отслеживания на ультразвуковом сканере.

Рис. 7.

Передача ультразвуковых данных в навигационную систему. Интерфейс может быть аналоговым с использованием фреймграббера или цифровым с использованием прямого канала и собственного протокола. Цифровой интерфейс может быть односторонним (т. Е. Потоковым) или двусторонним (т. Е. Можно также управлять сканером из навигационной системы). В любом случае поток изображения должен быть помечен данными отслеживания, и для этого необходимо синхронизировать два потока.

3.2. Отслеживание ультразвуковых датчиков

Чтобы использовать ультразвук для управления хирургическими процедурами, необходимо отслеживать ультразвуковой датчик.На протяжении многих лет было предложено несколько технологий слежения (механическое, акустическое, оптическое и электромагнитное), но в настоящее время наиболее широко используемыми решениями являются оптические или электромагнитные системы (см. Рисунок 8). Выбор наилучшей технологии отслеживания зависит от конкретного приложения и используемых ультразвуковых датчиков. Если возможно, следует отдавать предпочтение системам оптического слежения, поскольку магнитное слежение в операционной может быть проблематичным из-за помех от металлических предметов, а точность близка, но не так хороша, как оптические системы при благоприятных условиях.Для гибких us-зондов или зондов, которые вставляются в тело, требуется магнитное отслеживание, поскольку преобразование между датчиком и плоскостью сканирования должно быть жестким, а оптическое отслеживание требует прямой видимости для камер. Кроме того, магнитные датчики очень малы и имеют решающее значение для встраивания в инструменты и установки в тело. Когда ультразвуковой датчик отслеживается, он становится одним из нескольких инструментов, и потоковые ультразвуковые данные могут отображаться в реальном времени в нужном месте пациента или преобразовываться в трехмерный объем и показываться хирургу вместе с другими изображениями.Краткое описание двух основных технологий слежения можно найти ниже [51, 52]:

• Системы оптического слежения : Основная идея заключается в использовании одной или нескольких камер с маркерами, распределенными на жесткой конструкции, геометрия которой указано заранее (рисунок 8А). Для определения положения и ориентации твердого тела в пространстве необходимо не менее трех маркеров. Дополнительные маркеры обеспечивают лучшую видимость отслеживаемого объекта камерой и повышают точность измерения.Маркеры могут представлять собой инфракрасные светодиоды (активные маркеры), отражатели инфракрасного света (пассивные маркеры) или какой-либо узор (обычно шахматная доска), который можно идентифицировать с помощью визуального света и анализа изображения.

• Системы электромагнитного слежения : приемник (датчик) помещается на ультразвуковой датчик, и система измеряет индуцированные электрические токи, когда датчик перемещается в магнитном поле, создаваемом переменным или постоянным током. (DC) передатчик / генератор (рисунок 8B).Устройства переменного и постоянного тока чувствительны к некоторым типам металлических предметов, размещенных слишком близко к передатчику или приемнику, а также к магнитным полям, создаваемым источниками питания и устройствами, такими как мониторы с электронно-лучевой трубкой. Следовательно, оба типа электромагнитных систем сложно использовать в таких условиях, как операционная, где различные металлические предметы перемещаются в поле [53]. Два связанных с металлом явления, которые влияют на характеристики электромагнитных систем слежения, — это ферромагнетизм и вихревые токи [54].Ферромагнитные материалы (например, железо, сталь) влияют на системы как переменного, так и постоянного тока, поскольку они изменяют однородность магнитного поля, создаваемого трекером, хотя системы постоянного тока могут быть более чувствительными к этим эффектам. Напротив, на технологию переменного тока больше влияет наличие проводников, таких как медь и алюминий, из-за искажений, вызванных вихревыми токами [53, 55]. Системы постоянного тока минимизируют искажения, связанные с вихревыми токами, путем измерения поля после затухания вихревых токов.

• Сравнение оптических и магнитных систем слежения — за и против: Основными преимуществами систем оптического слежения являются их надежность и высокая точность, а проблемами являются проблемы с прямой видимостью и относительно большие корпуса датчиков.Для электромагнитной системы слежения все наоборот.

Рис. 8.

Оптическое (A) и электромагнитное (B) слежение за ультразвуковыми датчиками.

3.3. Калибровка ультразвукового датчика

После потоковой передачи ультразвуковых данных в навигационное программное обеспечение и отслеживания ультразвукового датчика необходима калибровка для интеграции потока изображений с потоком отслеживания. Калибровка ультразвукового датчика — важная тема, поскольку это основной источник ошибок для ультразвуковой навигации (см. Раздел о точности).Необходимы два типа калибровки; временная калибровка для поиска запаздывания между потоками изображения и отслеживания и пространственная калибровка [56, 57] для обнаружения преобразования между плоскостью ультразвукового сканирования и датчиком отслеживания, установленным на ультразвуковом датчике (см. рисунок 9):

• Временная калибровка (найдите временную задержку между потоком изображения и потоком отслеживания, см. Рисунок 9A) : Наиболее распространенный способ сделать это — перемещать ультразвуковой датчик вверх и вниз в водяной бане и извлекать некоторые особенности из созданного нами -изображения (или сопоставьте изображения и измерьте смещение).Это дает нам две синусоидальные кривые, одну для вертикального положения извлеченного объекта на изображениях и одну для вертикального компонента в данных отслеживания. Две кривые сравниваются, и одна из них подгоняется к другой, чтобы определить временную задержку между двумя потоками.

• Пространственная калибровка (найдите преобразование между изображением и датчиком, см. Рисунок 9B) : Значительные усилия были потрачены на калибровку датчика за последнее десятилетие, и это все еще кажется горячей темой исследований.Может быть, потому, что сделать его точным — сложная задача, особенно если один и тот же метод / фантом должен использоваться для существенно разных зондов. Невозможно измерить это преобразование с помощью линейки, потому что ориентация плоскости сканирования относительно рамки датчика неизвестна, нам неизвестно происхождение плоскости us внутри корпуса датчика, а магнитные датчики не имеют известного происхождения . Обычно используемый подход для калибровки датчика — получение двухмерных изображений фантома с известной геометрией и выявление отличительных особенностей на изображениях.Поскольку расположение одних и тех же элементов известно в глобальной системе координат, матрица калибровки датчика может быть найдена с помощью относительно простого матричного уравнения. Методы калибровки зондов, описанные в литературе, в основном различаются по геометрии фантома, тогда как обработка полученных данных более или менее обычна для всех методов. Большинство методов калибровки датчиков можно разделить на три различных класса: одноточечные или линейные; 2-мерное выравнивание; и методы от руки.Калибровочную матрицу можно рассчитать следующим образом. Получите необходимое количество калибровочных изображений и найдите координаты всех калибровочных точек на каждом изображении. Затем мы преобразуем соответствующие физические точки из глобальных опорных координат в координаты кадра датчика, используя обратную матрицу отслеживания. Преобразование твердого тела, которое минимизирует среднее евклидово расстояние между двумя наборами гомологичных точек, будет калибровочной матрицей датчика. Матрица может быть рассчитана с использованием метода минимизации ошибок методом наименьших квадратов [58].

Рис. 9.

Временная (A) и пространственная (B) калибровка ультразвукового датчика.

3.4. 3D Ультразвук

Трудно направить инструмент на место с помощью только обычного 2D-ультразвука (от руки): чтобы узнать, где находится инструмент, нам нужно увидеть его на ультразвуковом изображении, а для достижения цели мы должны знать, где оттуда сложная задача на зрительно-моторную координацию. Гораздо удобнее сначала получить трехмерный ультразвуковой объем и позволить отслеживаемому инструменту извлекать срезы из объема, которые могут быть аннотированы положением и / или ориентацией инструмента (см. Раздел по визуализации).

Трехмерные ультразвуковые данные могут быть получены разными способами [59]. Обычный одномерный матричный датчик (2D + t) можно перемещать по интересующей области либо движением руки, либо двигателем. Если используется движение от руки, все ультразвуковые кадры можно объединить в объем, используя данные отслеживания (рисунок 10) или корреляцию. Двигатель внутри шланга зонда или снаружи по отношению к нему также можно использовать для покрытия области интереса путем наклона, перемещения или поворота 1D-массива (рис. 11). Кроме того, с помощью двухмерного матричного датчика ультразвуковой луч можно направлять в направлении возвышения в дополнение к боковому (азимутальному) направлению, так что область интереса может быть покрыта, пока датчик неподвижен, что делает возможным трехмерное ультразвуковое изображение в реальном времени (рис. ).

Рисунок 10.

Методы реконструкции: A) Ближайший сосед вокселя (VNN), B) Ближайший сосед пикселя (PNN), шаг распределения (DS) и C) Функциональные методы (FBM).

Рисунок 11.

Моторизованный / механический наклон (A), поступательное движение (B) и вращение (C). Источник: Fenster [59]

Рис. 12.

Матричные зонды. Используя двумерный массив элементов (A), луч можно направлять в двух направлениях (B), и получается усеченная пирамида данных (C).

На практике используются следующие методы:

• Произвольное 3D УЗИ: Это все еще наиболее широко используемый метод (в основном из-за его гибкости), и обычно метод работает следующим образом: Сканировать Область интереса с помощью обычного 2D-зонда, который отслеживается, и реконструирует ультразвуковых кадров с позиционной меткой в ​​обычный 3D-объем, который можно использовать так же, как предоперационная МРТ или КТ.Ультразвуковой датчик обычно отслеживается оптическими или электромагнитными датчиками, но были предложены другие методы. Кроме того, существуют разные методы восстановления всех 2D-кадров в обычный 3D-объем. Методы можно разделить на три основные группы [60]:

  • Методы на основе вокселей (VBM) : VBM пересекает каждый воксель в целевой сетке вокселей и собирает информацию из входных 2D-изображений для размещения в вокселе. . Один или несколько пикселей могут вносить вклад в значение каждого вокселя.Самый простой метод в этой категории — это ближайший сосед вокселя (VNN), который проходит через каждый воксель в целевом объеме и присваивает значение ближайшему пикселю изображения (см. Рисунок 10A).

  • Методы на основе пикселей (PBM) : PBM обычно состоит из двух этапов: этап распределения (DS), на котором входные пиксели проходят и применяются к одному или нескольким вокселям, и этап заполнения отверстий (HFS), где воксели проходят, и пустые воксели заполняются. Самый простой метод в этой категории — ближайший сосед пикселя (PNN), который проходит через каждый пиксель во всех входных 2D-изображениях и присваивает значение пикселя ближайшему вокселю в целевом объеме (см. Рисунок 10B).

  • Методы на основе функций (FBM) : FBM выбирает конкретную функцию (например, полином) и определяет коэффициенты, чтобы функции проходили через входные пиксели. После этого функцию можно использовать для создания регулярного массива вокселей, оценивая функцию через равные промежутки времени (см. Рисунок 10C). Эти методы позволяют получить восстановленные объемы с высочайшим качеством, но они требуют больших вычислительных ресурсов и сегодня используются ограниченно.

• Моторизованный (или механический) 3D-ультразвук : вместо использования свободного перемещения ультразвукового датчика по интересующей области двигатель может покрывать ту же область путем наклона (рисунок 11A), перемещения (рисунок 11B) или вращая (рис. 11C) обычный ультразвуковой массив 1D.Моторизованные датчики существуют уже давно, и двигатель может быть установлен либо внутри корпуса датчика (прост в использовании, но требует специального ультразвукового датчика), либо может применяться снаружи (более гибкий, чем обычные датчики). Многие из преимуществ сканирования от руки также применимы к моторизованному сканированию, например возможность использования высокочастотных датчиков с более высоким пространственным разрешением, в том числе по углу места (датчики 1.25D / 1.5D). Моторизованное сканирование может использовать те же методы реконструкции, что и сканирование от руки, но обычно используются более оптимизированные методы, так как движение известно, и датчик не нужно отслеживать во время сбора данных.По сравнению с ультразвуком от руки, моторизованные датчики легче использовать в интраоперационных условиях, но, с другой стороны, в целом они не так гибки.

• Трехмерное ультразвуковое исследование в реальном времени с использованием двумерных матричных датчиков [61-65]: вместо использования обычного одномерного матричного преобразователя, который перемещается от руки или с помощью мотора для обзора интересующей анатомии, датчики с двухмерной фазой были разработаны массивы (рис. 12А), которые могут генерировать трехмерные изображения в реальном времени. Электроника используется для управления и направления ультразвукового луча (рис. 12B) и удаления объема, имеющего форму усеченной пирамиды (рис. 12C).Основная проблема с этой технологией — большой и тяжелый кабель, который потребуется для соединения всех элементов в массиве с проводом. К счастью, технологические достижения в области мультиплексирования, разреженных массивов и параллельной обработки за последнее десятилетие сделали эти системы коммерчески доступными. Они широко используются в эхокардиологии, которая требует динамической трехмерной визуализации сердца и его клапанов.

3.5. Интегрированные решения для навигации на основе ультразвука

Как мы видели, ультразвук и навигация могут быть интегрированы разными способами.Полные системы обычно можно разделить на следующие категории:

• Двухстоечные системы: Где навигационный компьютер с системой слежения и т. Д. И ультразвуковой сканер — это две отдельные системы. Это наиболее распространенное явление, особенно в исследовательской среде. Основная причина этого — гибкость, в принципе любой ультразвуковой сканер с аналоговым выходом можно использовать вместе с навигационной системой, которая оснащена навигационным программным обеспечением на основе ультразвука. Примером такой конфигурации является наша собственная исследовательская система для американской навигации под названием CustusX (рисунок 13A).Система используется для различных клинических приложений (например, нейрохирургии и лапароскопии), каждая навигационная стойка оснащена как оптическим, так и магнитным трекингом и может быть подключена к различным ультразвуковым сканерам с использованием аналоговых и цифровых интерфейсов.

• Одностоечные системы: Здесь ультразвуковой сканер и навигационный компьютер объединены в одну систему. Эти системы удобнее использовать в операционной, но они менее гибкие. К этой категории относится большинство коммерческих решений.Существует два варианта:

  • Ультразвуковой сканер с интегрированным навигационным ПО . Примером этого является система PercuNav от Philips, интегрированное решение для навигации и интраоперационной визуализации (рис. 13B).

  • Навигационная система со встроенным ультразвуковым сканером : Примером этого является система SonoWand (Тронхейм, Норвегия), в которой ультразвуковой сканер встроен в навигационную стойку (рисунок 13C).Систему можно использовать тремя различными способами: 1) в качестве навигационной системы, основанной на данных предоперационной МРТ / КТ, 2) в качестве автономного ультразвукового сканера и 3) в качестве навигационной системы на основе ультразвука с возможностями интраоперационной визуализации, ее основное применение.

Рис. 13.

Различные подходы к интеграции (3D) ультразвука и навигации. A) Решение с двумя стойками и примеры решений с одной стойкой (B и C).

4. Регистрация и сегментация в ультразвуковой навигации

Регистрация — это процесс преобразования изображения в систему координат пациента или другого изображения.После регистрации одинаковые анатомические элементы имеют одинаковые координаты как на изображении, так и на пациенте или на обоих изображениях. Регистрация изображения пациента является одним из краеугольных камней любой навигационной системы и необходима для навигации с использованием дооперационных изображений, таких как МРТ и / или КТ. Преобразование изображения в изображение полезно для выравнивания предоперационных изображений перед регистрацией для пациента, а также для обновления дооперационных изображений во время операции с использованием, например, интраоперационного УЗИ. Только последний вариант включает США и будет в центре внимания в этом разделе, но регистрация изображения пациента важна для правильной инициализации регистрации МРТ / КТ в США.Основная мотивация совмещения изображения с изображением заключается в том, что разные изображения содержат разную и дополнительную информацию о пациенте в данный момент времени. Когда мы переносим изображения в одну и ту же систему координат и в систему координат пациента, мы можем извлечь больше полезной информации из разных изображений. Такой информацией могут быть размер и расположение хирургической мишени, важные кровеносные сосуды, критические структуры, которых следует избегать и т. Д. Метод регистрации, используемый в каждом случае, сильно зависит от типа изображений, которые мы хотим зарегистрировать.Тип пространственного преобразования, то, как мы измеряем сходство между изображениями и как эта мера оптимизируется, являются ключевыми компонентами любой процедуры регистрации.

4.1. Регистрация предоперационных изображений для пациента

Регистрация изображения для пациента — необходимый и решающий шаг для использования предоперационных изображений в качестве руководства. Интраоперационное ультразвуковое исследование показывает только ограниченную часть операционного поля и может потребовать некоторого опыта, чтобы оценить его. Таким образом, предоперационные данные можно использовать для обзора и интерпретации.Например, в нейрохирургии невозможно получить ультразвуковые изображения до вскрытия твердой мозговой оболочки. Поэтому для планирования трепанации черепа необходимы дооперационные изображения.

Один из наиболее часто используемых методов регистрации заключается в использовании самоклеящихся маркеров, также называемых реперными точками. Реперные точки приклеиваются к коже пациента перед МРТ или КТ. Маркеры могут быть идентифицированы на изображениях, а соответствующие маркеры могут быть идентифицированы на пациенте с помощью отслеживаемого указателя, как только пациент будет иммобилизован на операционном столе (рис. 14).Затем можно вычислить пространственное преобразование, преобразующее изображение в систему координат пациента. Затем хирург может указать на пациента с помощью отслеживаемого указателя и увидеть соответствующее место на изображениях на экране компьютера. Использование маркеров для регистрации изображения пациента представляет некоторые ограничения как для пациента, так и для персонала больницы. Во-первых, регистрация на основе реперных точек требует сеанса визуализации незадолго до операции, чтобы свести к минимуму риск падения или смещения маркеров.Во многих случаях этот сеанс визуализации проводится в дополнение к первоначальному сеансу, необходимому для диагностики. Любое смещение реперных маркеров между сеансом визуализации и операцией поставит под угрозу точность регистрации изображения пациента. Размещение реперных знаков также создает неудобства для пациентов и персонала больницы при подготовке к процедуре.

Рис. 14.

Регистрация изображения пациента с использованием соответствующих точек между пространством изображения (A) и физическим пространством (B).

Чтобы избежать использования реперных маркеров, для регистрации пациентов можно использовать естественные анатомические ориентиры. Типичными особенностями нейрохирургии являются медиальный и латеральный уголки глаз, нос и уши. Как и регистрация на основе реперных точек, структура регистрации изображения пациента с использованием естественных анатомических ориентиров требует идентификации точек на дооперационных изображениях. Обычно используемые ориентиры почти копланарны, и все они расположены на относительно небольшой площади вокруг лица и ушей.Это может поставить под угрозу точность регистрации в других частях головы и, возможно, рядом с хирургической мишенью [66]. Ряд групп представили методы согласования поверхностей для решения этой проблемы. Поверхность кожи пациента сегментируется на основе дооперационных данных и регистрируется в наборе точек поверхности, полученных в операционной. Методы получения точек на поверхности в операционной включают камеры [67, 68], лазерные сканеры поверхности [69–71] и указатели с отслеживанием [72]. Точность различных методов оценивалась и сравнивалась [71, 73-75].Регистрация ориентиров и только по поверхности менее точна, чем регистрация на основе реперных точек. Поэтому были разработаны различные подходы, сочетающие регистрацию на основе анатомических ориентиров и выравнивание поверхностей.

В ходе операции ткань будет смещаться и деформироваться под действием силы тяжести, ретракции, резекции и введения лекарств. Следовательно, дооперационные изображения больше не соответствуют пациенту. В этом случае интраоперационный ультразвук можно использовать для прямого руководства и обновления местоположения дооперационных данных в соответствии с хирургической реальностью в данный момент времени.

4.2. Обновление предоперационных данных на основе УЗИ

По мере продолжения операции предоперационные изображения больше не отражают реальность, и для точной навигации необходима обновленная информация. При необходимости во время процедуры можно получить интраоперационный ультразвук и использовать его для прямого наведения и контроля резекции, а также в качестве цели регистрации для предоперационных изображений, чтобы обновить их положение. Это особенно важно для изображений, таких как функциональная МРТ (фМРТ) и диффузионно-тензорная визуализация (DTI) в нейрохирургии, потому что информацию, содержащуюся в этих изображениях, нельзя легко повторно получить во время процедуры.Выполняя регистрацию MR / CT-to-US, информация, содержащаяся в дооперационных изображениях, может быть сдвинута в правильное положение в любой заданный момент времени (рисунок 15). Регистрация МРТ / КТ в УЗИ является сложной задачей из-за различий в внешнем виде изображений и шумовых характеристиках. Существующие методы можно разделить на две основные категории:

• Методы на основе интенсивности : эти методы принимают исходные изображения (MR / CT и B-режим US) в качестве входных данных, и вычисляется оптимизация параметров регистрации. от интенсивности изображения, прямо или косвенно (размытие, градиенты и т. д.). Некоторые из существующих методов используют хорошо известные меры сходства, такие как взаимная информация и взаимная корреляция, в то время как другие разработали меры сходства, специально адаптированные для регистрации МРТ / КТ и ультразвука [76–82].

• Методы, основанные на элементах : Эти методы требуют сегментации или «улучшения» определенных функций в изображениях для регистрации. Затем алгоритм регистрации выровняет соответствующие элементы на каждом изображении. При регистрации МРТ / КТ-УЗИ такой особенностью может быть сосудистое дерево [83–85].Кровеносные сосуды относительно легко идентифицировать и сегментировать как на МР-ангиографии, так и на ультразвуковых допплеровских изображениях, и они присутствуют практически в любой интересующей области. Осевая линия или скелет могут быть рассчитаны по сегментированным сосудам и использоваться для регистрации. Наиболее часто используемый метод для регистрации на основе признаков — это итерационный алгоритм ближайшей точки (ICP) [86]. В случае регистрации судна все точки в движущемся наборе данных сопоставляются с ближайшей точкой в ​​фиксированном наборе данных.На основе этих точечных соответствий параметры регистрации могут быть вычислены с использованием метода наименьших квадратов. Результирующее преобразование затем применяется к движущемуся набору данных, и могут быть вычислены новые соответствия точек. Затем процесс повторяется до сходимости.

Рис. 15.

Коррекция сдвига предоперационных данных МРТ на основе ультразвука во время операции АВМ. Верхний и нижний ряды показывают ситуацию до и после регистрации MR-to-US соответственно.А) Ультразвук. D) MR. MR (серый) и US (зеленый) до (B) и после (E) регистрации. Осевые линии из США (зеленый) и MR (красный) до (C) и после (F) регистрации.

Несколько методов, относящихся к двум основным категориям, прошли валидацию с использованием ретроспективных клинических данных [12, 14, 15]. До сих пор ни один автоматический метод не прошел тщательную интраоперационную валидацию (рис. 15). Использование методов автоматической регистрации в операционной требует высококачественных данных и простой, точной, надежной и быстрой обработки изображений.При наличии всего этого регистрация изображений с помощью интраоперационного ультразвука сможет исправить положение дооперационных данных и, таким образом, предоставить обновленную и надежную информацию об анатомии, патологии и функциях во время операции.

4.3. Коррекция движения с использованием 4D ультразвука

Регистрация ультразвуковых изображений на основе интенсивности также может использоваться для отслеживания движения интересующего органа. В случае высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (HIFU или FUS) или лучевой терапии, орган может быть визуализирован с помощью 4D ультразвука (3D + время или 3D в реальном времени), чтобы отслеживать временные изменения в анатомии во время визуализации, планирования и доставка лечения.Затем можно зарегистрировать последовательные трехмерные изображения для оценки движения органа (рис. 16). Позиционирование HIFU или луча излучения может быть изменено соответствующим образом, чтобы поразить цель в любой момент времени. Мы проверили автоматическую оценку движения на основе 4-мерного УЗИ в печени с использованием нежесткого алгоритма регистрации и подхода групповой оптимизации в рамках продолжающегося исследования, которое будет опубликовано в ближайшем будущем. Автономный анализ выполнялся с использованием недавно опубликованного алгоритма нежесткой регистрации, который был специально разработан для оценки движения по данным динамической визуализации [87].Метод регистрирует всю 4D-последовательность в режиме групповой оптимизации, избегая таким образом смещения в сторону конкретно выбранной контрольной точки времени. Как пространственная, так и временная гладкость преобразований обеспечивается с помощью 4D модели деформации B-сплайна произвольной формы. Для оценки трех здоровых добровольцев сканировали в течение нескольких циклов дыхания из трех разных положений и под разными углами живота (всего девять 4D сканирований). Квалифицированный врач выполнил сканирование и вручную аннотировал четко определенные анатомические ориентиры для оценки автоматического алгоритма.Каждый из четырех инженеров аннотировал эти точки для всех временных рамок, среднее из которых было принято за золотой стандарт. Погрешность метода автоматической оценки движения сравнивалась с изменчивостью между наблюдателями. Метод регистрации оценивал движение печени лучше, чем отдельные наблюдатели, и имел ошибку (75% процентиль по всем наборам данных) в 1 мм. Мы пришли к выводу, что методика смогла точно отследить движение печени по данным ультразвукового исследования 4D. Эта методика может использоваться во время операции для управления аблацией движущихся целей в брюшной полости, если метод регистрации может выполняться в режиме реального времени, а ультразвуковой датчик может быть совместим с МРТ (требуется для HIFU с МРТ).

Рисунок 16.

A) 4D (3D + t) УЗИ печени. Пример изображения до (верхний ряд B) и после (нижний ряд C) регистрации. Средняя (B-C) и правая панели соответственно показывают эволюцию во времени (вертикальная ось) горизонтального и вертикального профиля, обозначенного крестиком на левой панели. После регистрации движение было успешно удалено с изображения (прямые вертикальные линии).

4.4. Сегментация ультразвуковых данных

Полностью автоматическая сегментация структур из ультразвуковых изображений в B-режиме является сложной задачей.Четкость и контраст структурных границ сильно зависят от их ориентации относительно звуковой волны и акустических свойств окружающих тканей. Следовательно, границы интереса часто нарушаются или, по крайней мере, нечеткие в частях объема изображения. Следовательно, необходимо использовать априорных знаний о форме и внешнем виде интересующей структуры, чтобы получить надежные результаты сегментации. Это априорных знаний может быть получено путем ручного сегментирования интересующей структуры в наборе обучающих данных.Затем статистику формы и внешнего вида можно использовать для сегментирования структуры в новых наборах данных. Акбари и др. [88] и Zhan et al. [89] использовали этот подход для сегментации простаты на трехмерных ультразвуковых изображениях простаты, а Xie et al. [90] использовали аналогичный подход для сегментации почек из 2D ультразвуковых изображений. Недостатком этого метода является необходимость наличия базы данных обучающих данных с ручными сегментами. Этот метод также может быть трудно использовать, если форма и внешний вид структуры неизвестны или имеют большие вариации, такие как опухоли и другие патологии.Несколько групп также представили алгоритмы сегментации ультразвуковых изображений поверхностей костей, особенно позвоночника [91-94]. В этих случаях целью процесса сегментации является извлечение поверхности кости из интраоперационных ультразвуковых изображений для регистрации в предоперационных КТ-изображениях. Ультразвуковые изображения фильтруются, чтобы выделить поверхность кости, и в некоторых случаях характерная тень за поверхностью кости может использоваться для целей сегментации, как показано Yan et al.[94]. Они использовали обратную линию сканирования для извлечения поверхности кости из ультразвуковых изображений позвоночника.

Одно из больших преимуществ ультразвука — динамическая визуализация в реальном времени. Методы, основанные на статистике формы и внешнего вида, обычно не могут работать достаточно быстро, чтобы уловить динамику движущегося органа, такого как сердце. Orderud et al. [95] предложили метод сегментации бьющегося сердца в реальном времени. Они приспособили набор контрольных точек модели левого желудочка к данным 4D УЗИ (рисунок 17).Процесс подгонки выполнялся в режиме реального времени с использованием метода оценки состояния и фильтра Калмана. Когда форма, внешний вид и локализация структуры неизвестны, полуавтоматическая или ручная сегментация экспертом может быть единственным решением для получения удовлетворительных результатов. С другой стороны, сегментация ультразвуковых изображений Доплера обычно не вызывает затруднений с использованием простых методов определения пороговых значений. Сосудистые структуры, однако, часто имеют слишком большой диаметр на ультразвуковых допплеровских изображениях, что приводит к смещению соседних сосудов вместе.Поэтому надежная сегментация сосудистого дерева может быть сложной задачей из-за пространственного разрешения изображений.

Рис. 17.

Трехмерная модель левого желудочка (A), сопоставленная в реальном времени с 4D УЗИ, показана здесь в виде срезов в 3D (A) и 2D (B и C). Источник: Orderud [95].

5. Визуализация и навигация на основе ультразвука

Объем данных изображений, доступных для любого конкретного пациента, увеличивается и может включать в себя дооперационные структурные данные, такие как КТ и МРТ (T1, T2, FLAIR, МР-ангиография и т. Д.), предоперационное картирование важного серого (фМРТ) и белого вещества (DTI), функциональные данные ПЭТ, интраоперационное трехмерное ультразвуковое исследование (B-режим и допплерография) в дополнение к изображениям с микроскопов, эндоскопов и лапароскопов. Не все эти источники информации одинаково важны в течение всей процедуры, и необходимо произвести выборку данных, чтобы представить только те изображения, которые актуальны для хирурга в данный конкретный момент времени.

Рисунок 18.

Мультимодальная визуализация.Ортогональное (A) и наклонное (B) срезы, положение, а также положение и ориентация инструмента используются для извлечения срезов соответственно. На каждом изображении показаны три основных типа визуализации. Голова представляет собой объем, визуализированный в трехмерном виде, который также показывает геометрические представления как инструмента, так и индикаторов срезов. Соответствующие срезы показаны в двухмерном виде справа. C) Отображение во время получения трехмерного ультразвукового исследования от руки: двухмерное ультразвуковое исследование в реальном времени слева и указание плоскости сканирования относительно данных МРТ в трехмерном и двухмерном изображениях сверху и снизу справа соответственно.D) Обзор зонда относительно головы. E) Подробное изображение 2D-ультразвука в реальном времени относительно данных MRA (чтение) и данных 3D Power Doppler (серый цвет). F) Срез УЗИ (верхняя часть) и МРТ (нижняя часть), модель поверхности красного цвета из МРТ (средняя часть). Несоответствие между УЗИ (срез) и МРТ (модель опухоли) четко видно. G) 3D-ультразвук (серый) используется для коррекции MRA (перемещается из красного положения в зеленое) во время операции по аневризме.

Существуют различные способы классификации различных существующих методов визуализации.Для медицинской визуализации трехмерных данных с помощью таких методов, как КТ, МРТ и УЗИ, обычно используются три подхода:

• Нарезка : Нарезка означает извлечение двумерной плоскости из трехмерных данных и может дополнительно классифицироваться в зависимости от того, как генерируются данные 2D-среза и способ отображения этой информации. Последовательность срезов, полученных модальностью и используемых для генерации обычного объема изображения, часто называется необработанными или естественными срезами. Из восстановленного объема мы можем извлечь как ортогональные (рисунок 18A), так и наклонные (рисунок 18B) срезы.Ортогональные срезы часто используются в системах до- и послеоперационной визуализации, а также в интраоперационных навигационных системах, где кончик отслеживаемого инструмента определяет три извлеченных среза. Срезы также могут быть ортогональными относительно отслеживаемого инструмента или обзора хирурга (т. Е. Наклонные срезы относительно оси объема или пациента), и это становится все более популярным вариантом в навигационных системах. Когда хирургический инструмент прорезает несколько объемов, создается несколько срезов.Затем эти срезы можно комбинировать различными способами, используя различные методы наложения и слияния.

• Прямой объемный рендеринг : Методы объемного и геометрического рендеринга нелегко разделить. Часто два подхода могут давать похожие результаты, а в некоторых случаях один подход может рассматриваться как метод объемного рендеринга и метод геометрического рендеринга. Тем не менее, термин объемный рендеринг используется для описания процесса прямого рендеринга, применяемого к 3D-данным, когда информация существует во всем 3D-пространстве, а не просто на 2D-поверхностях, определенных в таком 3D-пространстве (и часто извлекаемых из него).Двумя наиболее распространенными подходами к объемному рендерингу являются объемное моделирование лучей и двухмерное / трехмерное отображение текстур (рис. 17 A, B, D, E, G). При преобразовании лучей каждый пиксель в изображении определяется путем отправки луча в объем и оценки данных вокселей, встречающихся вдоль луча, с использованием заданной функции луча (максимум, равное значение, композитинг). При использовании наложения двухмерной текстуры полигоны создаются вдоль оси объема, которая наиболее точно совпадает с направлением обзора. Затем данные отображаются на эти квадраты и проецируются в изображение с использованием стандартного графического оборудования.

• Визуализация геометрической поверхности : Метод, используемый для визуализации четырехугольников с наложенной текстурой, по сути тот же метод, который используется для визуализации геометрических представлений поверхностей соответствующих структур (рис. 17 A-F). Однако сначала необходимо извлечь геометрические представления из информации об изображении. Хотя в некоторых случаях можно выделить структуру и создать ее трехмерную модель, непосредственно используя алгоритм извлечения изоповерхности [96], создание точной геометрической модели на основе медицинских данных часто требует сначала этапа сегментации.Наиболее распространенное представление поверхности — использование множества простых геометрических примитивов (например, треугольников), хотя существуют и другие возможности. Кроме того, поверхности можно сделать прозрачными, чтобы было видно, что находится под структурой.

Задача состоит в том, чтобы объединить доступные данные и методы визуализации, чтобы представить оптимальную интегрированную мультимодальную сцену, которая показывает хирургу только актуальную информацию в любой момент времени. Мультимодальная визуализация и различные методы слияния изображений могут быть очень полезными при попытке воспользоваться преимуществами лучших функций в каждой модальности.Легче ощутить объединение двух или более объемов в одной сцене, чем мысленно объединить те же объемы, когда они представлены в разных окнах отображения. Это также дает возможность выбрать актуальную и необходимую информацию из наиболее подходящих доступных наборов данных. В идеале релевантная информация должна включать не только анатомические структуры для справки и патологические структуры, на которые нужно воздействовать, но и важные структуры, которых следует избегать. Наконец, методы дополненной реальности могут

Ультразвук и чего ожидать

Что такое УЗИ?

Ультразвук (также называемый сонографией или ультрасонографией) — это неинвазивный диагностический визуализирующий тест.Он использует высокочастотные звуковые волны для создания изображений или видео в реальном времени внутренних органов или других тканей, таких как кровеносные сосуды. Ультразвуковой снимок называется сонограммой.

Ультразвук позволяет медицинским работникам «видеть» детали мягких тканей внутри тела без надрезов.

Как работает ультразвук?

Ultrasound работает аналогично технологии сонара, которая использует звуковые волны для обнаружения объектов под поверхностью океана. Медицинские работники, которых называют диагностами-сонографами, обучены пользоваться ультразвуковым датчиком.Зонд — это устройство, излучающее звуковые волны.

Сонограф наносит специальный гель на исследуемую часть тела. Они проводят зонд над этой областью или внутри нее. Звуковые волны от зонда отражаются от внутренних тканей. Звуковые волны создают живую картинку и отображают ее на экране компьютера поблизости. Вы не слышите звуковые волны.

Почему медицинские работники проводят ультразвуковые исследования?

Медицинские работники обычно используют ультразвук для проверки здоровья и развития будущего ребенка во время беременности.Ультразвук также может помочь вашему врачу узнать больше о том, что вызывает широкий спектр симптомов (например, необъяснимую боль, опухоль или воспаление).

Ваш врач может порекомендовать ультразвуковое исследование для оценки:

Медицинские работники иногда используют ультразвук для точного выполнения определенных процедур. Например, ультразвук может определять размещение иглы при игольной биопсии.

Последний раз проверял медицинский работник Cleveland Clinic 19.10.2020.

Ссылки

Получите полезную, полезную и актуальную информацию о здоровье и благополучии

е Новости

Клиника Кливленда — некоммерческий академический медицинский центр.Реклама на нашем сайте помогает поддерживать нашу миссию. Мы не поддерживаем продукты или услуги, не принадлежащие Cleveland Clinic.
Политика

В чем разница между УЗИ и МРТ?

Ультразвук и магнитно-резонансная томография (МРТ) — это два типа медицинских изображений, которые используются для того, чтобы врачи могли заглянуть внутрь тела.Они работают по-разному, и у каждого из них есть свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать. Иногда врач может запросить визуализационные исследования с использованием обоих методов, чтобы получить более полное представление о том, что происходит внутри тела пациента.

Женщина, держащая дородовое УЗИ.

Эти методы визуализации имеют ряд общих черт, начиная с того факта, что любой из этих методов можно использовать для создания как неподвижных, так и движущихся изображений внутренней части тела. Обе процедуры выполняются без использования излучения, что является явным преимуществом этих типов медицинской визуализации. В случае пациента, которому необходимы множественные визуализационные исследования, предпочтительнее ультразвуковое исследование и МРТ, потому что тело пациента не подвергается риску повреждения от накопленного излучения.Эти методы также являются неинвазивными или минимально инвазивными, в зависимости от специфики тестирования. В некоторых случаях может потребоваться ввести контрастный материал или вставить датчик в тело с целью получения лучшего изображения.

Сонограф делает УЗИ.

В случае ультразвука изображение получается путем отражения высокочастотных звуковых волн от полости тела. Звуковые волны собираются по возвращении, а изменения частоты и угла используются для создания картины внутренних органов пациента. При МРТ пациента помещают в большую камеру, которая генерирует магнитное поле, возбуждающее атомы водорода в теле пациента.Аппарат МРТ считывает изменения в магнитном поле тела и использует эти изменения для построения изображения.

Сканер магнитно-резонансной томографии.

Одним из основных недостатков ультразвука является то, что у него часто возникают проблемы с обструкцией.Определенные части тела трудно воспроизвести, поскольку им мешают толстые кости или органы. Напротив, изображения МРТ очень четкие и четкие, и их можно снимать в любой плоскости тела. В обоих случаях качество изображения может быть очень высоким при использовании хорошего аппарата, а использование контрастного вещества может еще больше улучшить видимость, позволяя врачу детально рассмотреть конкретные структуры.

МРТ головного мозга.

Основная проблема с магнитно-резонансной томографией заключается в том, что аппарат МРТ будет взаимодействовать с магнитными объектами в комнате, и эти объекты могут вызвать повреждение аппарата. Пациент должен удалить все магнитные объекты с его или ее лица, но в случае пациентов с имплантированными медицинскими устройствами аппарат МРТ может вызвать проблемы. МРТ-исследования особенно опасны для людей, которым имплантированы устройства в сердце или вокруг него. В случае, когда МРТ невозможно, может потребоваться ультразвук.

Аппарат МРТ использует магнитное поле и радиоволны для создания изображений внутренних органов и костных структур.

Ученые создали новое ультразвуковое устройство с использованием технологии трехмерной печати

Профессор Клаус-Дитер Ол, сингапурский ученый из NTU, разработал новое ультразвуковое устройство, которое позволит проводить более точные медицинские процедуры, включающие использование ультразвука для уничтожения опухолей, разжижения сгустков крови и доставки лекарств в клетки-мишени.Предоставлено: Наньянский технологический университет.

Ученые из Технологического университета Наньян в Сингапуре (NTU Singapore) разработали новое ультразвуковое устройство, которое позволяет получать более четкие изображения с помощью линз с трехмерной печатью.

Благодаря более четким изображениям врачи и хирурги могут иметь больший контроль и точность при выполнении неинвазивных диагностических процедур и медицинских операций.

Новое устройство позволит проводить более точные медицинские процедуры, которые включают использование ультразвука для уничтожения опухолей, разрыхления тромбов и доставки лекарств в клетки-мишени.

Это инновационное ультразвуковое устройство оснащено линзами из синтетической пластмассы с трехмерной печатью.

В современных ультразвуковых аппаратах линза, фокусирующая ультразвуковые волны, имеет цилиндрическую или сферическую форму, что ограничивает четкость изображения.

С помощью трехмерной печати можно изготавливать линзы сложной формы, что позволяет получать более четкие изображения.Линзы с трехмерной печатью позволяют фокусировать ультразвуковые волны в нескольких точках или формировать фокус специально для цели, чего не могут сделать современные ультразвуковые аппараты.

Отраслевые партнеры, заинтересованные в разработке коммерческих приложений

Новое ультразвуковое устройство было разработано многопрофильной группой ученых под руководством доцента Клауса-Дитера Оля из Школы физико-математических наук НТУ.

На фото новое ультразвуковое устройство NTU Singapore излучает около десяти импульсов в секунду через 3D-печатную линзу, генерируя усиленные ультразвуковые или фотоакустические волны, которые современные ультразвуковые аппараты не могут делать.Предоставлено: Наньянский технологический университет.

Ультразвуковое устройство прошло тщательные испытания, результаты которых были опубликованы в журнале Applied Physics Letters , рецензируемом ведущим мировым научным институтом — Американским институтом физики.

Благодаря этому прорыву команда NTU сейчас ведет переговоры с различными партнерами в отрасли и в сфере здравоохранения, которые ищут пути разработки прототипов для медицинских и исследовательских приложений.

Доцент Клаус-Дитер Ол сказал: «В большинстве медицинских операций решающее значение имеют точные и неинвазивные методы диагностики.Это новое устройство не только определяет фокус волны, но и ее форму, обеспечивая большую точность и контроль для практикующих врачей ».

Преодоление текущих ограничений

Ультразвуковые волны создаются путем воздействия звуковых волн на стеклянную поверхность или «линзу» для создания высокочастотных колебаний.

Уникальные линзы из полимера, напечатанные на 3D-принтере NTU Singapore, преодолевают ограничения стекла, поскольку они не только настраиваются для получения лучшего изображения, но и дешевле и проще в производстве.Предоставлено: Наньянский технологический университет.

В обычных ультразвуковых аппаратах возникающее тепло вызывает быстрое расширение линзы, генерируя высокочастотные колебания, которые производят ультразвуковые волны.

Благодаря линзам с трехмерной печатью новое ультразвуковое устройство преодолевает ограничения стекла.Индивидуальные и сложные линзы с трехмерной печатью могут быть изготовлены для различных целей, что не только улучшает качество изображения, но и дешевле и проще в производстве.

«3D-печать меняет производственный процесс, позволяя создавать уникальные и сложные устройства. В свою очередь, необходимо переосмыслить способ создания медицинских устройств. Это захватывающее открытие для научного сообщества, поскольку оно открывает новые двери для исследований. и медицинской хирургии «, — сказал доцент Ол.

Этот прорыв выходит на рынок ультразвуковой диагностики, который, как ожидается, вырастет примерно до 6 долларов США.9 миллиардов к 2020 году. Ожидается, что это также будет способствовать развитию новых медицинских технологий и исследовательских возможностей в таких областях здравоохранения, как хирургия и биотехнологии.

Например, исследователи могут использовать звуковые волны для измерения упругих свойств клеток в чашке Петри, наблюдая, как они реагируют на силы. Это будет полезно, например, для различения вредных и доброкачественных опухолевых клеток.

«Это очень многообещающий прорыв, потенциально предлагающий значительные клинические преимущества, в том числе в области визуализации рака.Эта технология может уменьшить искажения изображения и более точно отличать злокачественные мягкие ткани от незлокачественных «, — сказал адъюнкт-профессор Тан Чер Хенг, ведущий специалист по анатомии и радиологии LKCMedicine и старший консультант отделения диагностической радиологии больницы Тан Ток Сенг.

На фото новое ультразвуковое устройство NTU Singapore излучает около десяти импульсов в секунду через 3D-печатную линзу, генерируя усиленные ультразвуковые или фотоакустические волны, которые современные ультразвуковые аппараты не могут делать.Предоставлено: Наньянский технологический университет.

Контроль ультразвука с помощью устройств с трехмерной печатью

Предоставлено
Наньянский технологический университет

Ссылка :
Ученые создают новое ультразвуковое устройство с использованием технологии 3-D печати (6 декабря 2016 г.)
получено 9 ноября 2020
с https: // физ.org / news / 2016-12-science-ultrasound-device-d-technology.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Глубокое обучение для ультразвуковой визуализации и анализа

Вызовы

Три вызова

Цель этого веб-сайта — создать самый большой и значимый набор данных ультразвуковых изображений.Мы создали три задачи
для сбора данных: классифицировать , определить и
Сегмент

Классифицировать

Вы увидите набор изображений ультразвукового исследования брюшной полости, головного мозга ребенка, щитовидной железы или сосудистой системы. Ваш вызов
— помечать изображения, на которых видны отклонения от нормы.

Определить

Вы увидите изображение ультразвукового исследования брюшной полости.Ваша задача — выбрать названия всех органов, которые
видны на ультразвуковом изображении.

Сегмент

Вы увидите изображение ультразвукового исследования брюшной полости. Ваша задача — использовать наш онлайн-инструмент для рисования, чтобы наметить конкретные
органы на изображении.