Практичне заняття №1

механічні   властивості   біологічних   тканин

 

Обладнання для лікування та діагностики опорно – рухової та дихальної системи людини

 

Біомеханікою називається комплекс біофізики, у якому розглядаються механічні властивості живих тканин і органів, також механічні явища, які відбуваються як з цілим організмом, так і з його окремими органами.

Важелем називається тверде тіло (як правило стержень), що має нерухому вісь обертання, до якої прикладені сили, які створюють моменти відносно цієї осі. Розглядають три види важелів від залежності їхнього взаєморозташування діючої сили.

 

1. Сили Fi Rприкладені з двох боків від точки опори

 

2. Сила F прикладена до кінця важеля, сила R ближче до точки опори (рис. 2, а). Приклад – дія зведення стопи при підйомі на півпальці (рис. 2. б).

 

3. Сила F прикладена ближче до точки опори, ніж сила R (рис. 3. а). Приклад – кості передпліччя. Точка опори  знаходиться в ліктьовому суглобі (рис. 3. б). Діюча сила - сила м’язів, що згинають передпліччя,  величина навантаження.

 

Математично можна представити у вигляді:

 

де  – сила, яку розвиває м’яз, r – відстань між точкою кріплення м’яза до кістки передпліччя та ліктьовим суглобом,  – вага вантажа,  – відстань від вантажа до ліктьового суглоба.

Важливими характеристиками роботи м’яза являються сила і швидкість скорочення. А.Хіллом було показано, що між швидкістю скорочення м’яза та м’язевою силою  існує гіперболічна залежність:

 

тут,  - максимальна швидкість скорочення м’яза ( при );  - сила, яку розвиває м’яз в ізометричному режимі скорочення (коли не змінюється довжина м’яза);  і  - константи.

 

Рис. 4. Залежність відносної швидкості скорочення м’яза

від відносної сили

 

При скороченні протягом часу  м’яз виконує роботу:

Знайшовши  з рівняння (2) і підставивши у (3) отримаємо:

Робота, яку виконує організм при ходьбі, не змінюється, якщо людина рухається зі швидкістю близько до 90 м/хв, а при підвищенні швидкості вона зростає і вже при швидкості 130 м/хв виявляється більшою, ніж при бігу з швидкістю 150 м/хв. Таким чином, сповільнений біг енергетично вигідніший за швидку ходьбу.

 

Пружні властивості тіл. Деформація біологічних тканин

При деформації відбувається відносне зміщення елементів тіла (його молекул).

 

Якщо l – початкова довжина деформуючого тіла,  S – площа поперечного перерізу, Dl – зміна довжини під дією зовнішньої сили F,

e=Dl/l – відносне видовження, Е – модуль пружності (модуль Юнга),то згідно з законом Гука:

, де                     (5)

Якщо d – поперечний розмір тіла (діаметр, товщина), а Dd – зміна його поперечного розміру, m  –  коефіцієнт Пуассона, то

                              (6)

Деформація зсуву характеризується кутом зсуву g. Якщо  F –  сила, паралельна площі поверхні S,  t  – дотична напруга, G – модуль зсуву, то

                               (7)

Модуль зсуву G, модуль пружності E і коефіцієнт Пуассона m пов’язані співвідношенням

                              (8)

 

 

Біофізика зовнішнього дихання

Життєдіяльність людини пов’язана із споживання її організмом кисню і виділенням у довкілля вуглекислого газу. Під зовнішнім диханням розуміється обмін газом між альвеолами легенів і навколишнім середовищем.

      Під час дихання використовується пружні властивості повітря.

 

 

За сигналом нервової системи про те, що організмові не вистачає кисню, людина при вдиханні за допомогою м’язів грудної клітки піднімає ребра, а іншими м’язами опускає діафрагму. Внаслідок цього збільшується об’єм, який можуть займати легені (і залишки повітря, що є в них). Проте таке збільшення об’єму зумовлює істотне зменшення тиску повітря в легенях. Виникає різниця тисків зовнішнього повітря і повітря в легенях, Через це зовнішнє повітря починає самостійно входити в легені завдяки своїй пружності . Людина лише надає йому змогу ввійти, змінюючи об’єм легенів.

З іншого боку , легенева тканина дуже ніжна, і вона не витримала б багаторазових розтягів і досить значних натискань грудних м’язів. Тому вона й не кріпиться до них .

         Окрім цього, розширення легенів розтягуванням їхньої поверхні ( за допомогою грудних м’язів) спричинило б нерівномірне , неоднакове їх розширення у різних частинах. Тому легені покриті особливою плівкою – плеврою . Плевра однією частиною прикріплена до легені, іншою – до м’язової тканини грудної клітки. Вона утворює своєрідний мішок, стінки якого не пропускають повітря.

 

 

       Усередині плевральної порожнини наявна дуже невелика кількість газу. Тиск цього газу стає рівним тиску повітря в легенях тоді, коли стінки плеври перебувають дуже близько одна від одної. Внаслідок вдихання об’єм порожнини різко збільшується , а тиск різко спадає. Легеня завдяки наявним у ній залишкам повітря починає сама розширюватись рівномірно в усіх частинах подібно до гумової кульки під ковпаком повітряної помпи. Отже, пружні властивості повітря забезпечують ідеальну амортизацію для легеневої тканини і найсприятливіші умови для її розтягу і стиску.

        Легені і грудна клітка еластичні , тому для збільшення їхнього об’єму необхідна м’язова енергія. Зміна об’єму грудної клітки внаслідок вдихання залежить від величини м’язового зусилля. Дія м’язів , зумовлена їх скороченням, спрямована на подолання сил опору. До них належать :

·        Сила, потрібна для подолання опору еластичних тканин грудної клітки і легенів;

·        Сила, необхідна для подолання тертя в нееластичних тканинах, що виникає внаслідок зміщення ребер під час вдихання вона, а також діафрагми , органів черевної порожнини. Ця сила залежить від швидкості дихання; на початку і наприкінці вдихання вона дорівнює нулеві;

·        Сила, потрібна для подолання тертя повітряного струменя під час вдихання і тертя, що виникає між стінками повітряних шляхів. Ця сила зумовлена різницею атмосферного і альвеолярного тисків. Тиск, необхідний для подолання цієї сили , залежить від швидкості потоку і опору.

 

Бронхи мають дуже великі розгалуження , що зумовлює виникнення «завихрень» у місцях розгалужень. Тому повітряний потік за своїми властивостями наближається до турбулентного. Внаслідок цього сили, спрямовані на подолання тертя, пропорційні квадратові швидкості. За умов ламінарного руху повітря ці сили пропорційні швидкості в першому степені.

 

 

           Робота дихальних м’язів витрачається на зміну об’єму грудної клітки , легень і переміщення повітря. Механічна робота дихання дорівнює добуткові тиску на об’єм повітря , що надходить у легені і видаляється з них.

        Тиск, який виникає через еластичність грудної клітки і легенів, можна розрахувати так:

Р_ел = kV                                                             (9)

де, Рел – тиск, що виникає в легенях, коли їхній об’єм відрізняється від середнього; k – множник, який характеризується еластичністю системи; V-  різниця між об’ємом у даний момент і середнім об’ємом .

Тиск в альвеолах визначається рівнянням

Р_ел = k₁V₁ + k₂V₁                                                     (10)

де  Р_ел – різниця  тисків повітря в ротовій порожнині й альвеолах ; k₁ – коефіцієнт в’язкості повітря; V₁ – зміна об’єму грудної клітки за одиницю часу; k₂- коефіцієнт турбулентного опору .

          Механічна робота дихання в стані спокою приблизно дорівнює 0.5 за хвилину. Із збільшенням хвилинного об’єму дихання збільшується робота . за оптимальної частоти і глибини дихання мінімальна робота забезпечує нормальну вентиляцію легенів. Для того, щоб утворилися оксигемоглобін, кисень має пройти через альвеолярну мембрану, міжклітинну рідину, ендотелій капіляра, плазму і мембрани еритроцитів. Цей перехід здійснюється завдяки дифузії.

Дифузійна здатність легенів залежить від поверхні дифузії, тобто від кількості відкритих функціонуючих капілярів , які контактують з альвеолами. У людини площа  поверхні , через яку здійснюється газообмін , становить приблизно 90 м2 тобто перевищує площу тіла (2м2) більш ніж у 40 разів.

           Між швидкістю молекул і тиском газу існує така залежність:

υ=                                                              (11)

де  υ – середня квадратична швидкість ; P – тиск газу ; ρ– густина газу.

       Кількість газу поглинутого мембраною , пропорційна  тискові дифундую чого газу.

      За законом  Фіка , швидкість дифузії через мембрану дорівнює :

dQ/dt= Dα(c1 – c2)s/x                                             (12)

Де dQ/ dt – швидкість дифузії;D – коефіцієнт дифузії ; α – коефіцієнт поглинання  газу; (c1 – c2) – різниця концентрацій речовин з обох боків мембрани ; S – площа мембрани; х – товщина мембрани.

       Дифузія через альвеолярну мембрану відбувається вдвічі швидше , ніж у воді , тому що до складу мембрани входять ліпіди.

         Дифузійна здатність вуглекислого газу приблизно у 20 разів більша, ніж кисню. Це пояснюється тим , що розчинність вуглекислого газу в сольовому розчині, який входить до складу альвеолярної мембрани, істотно вища, ніж розчинність газу в мембрані покращує дифузію.

У нормі дифузійна здатність у спокої становить приблизно 15 мл О2/хв, а за фізичних навантажень може сягати 68 млО2/хв . З віком дифузійна здатність зменшується. Деякі захворювання зумовлюють потовщення альвеолярної мембрани, що призводить до збільшення відстані дифузійної здатності.

 

Вивчення роботи мікропроцесорного спірографа СМП-21/01-Р-Д.

Спірограф призначений для застосування в медичних установах різного профілю, для дослідження на основі спірометрії механічних властивостей апарату вентиляції легенів людини, якісної і кількісної оцінки змін функціонального стану легень і застосовується на різних етапах лікувально-діагностичного процесу (виявлення порушень, оцінка їх вираженості, обґрунтування та оцінка ефективності проведеної терапії, простежування динаміки захворювання), при експертизі працездатності та придатності до роботи в певних умовах, при масових та епідеміологічних обстеженнях груп населення. Він призначений для експлуатації в закритих приміщеннях при температурі навколишнього повітря від 10 до 35 ° С; відносній вологості 80% при температурі 25 ° С і при більш низьких температурах без конденсації вологи;атмосферному тиску 84-106,7 кПа (630 +800 мм. рт. ст.).

Основні технічні характеристики спірографа

– Діапазон вимірювання швидкості потоку повітря:

• для повітря, що вдихається: від 0 до 1,5 л / сек, з похибкою ± 0,05 л / сек;

від 1,5 до 10,0 л / сек, з похибкою ± 3%;

• для повітря, що видихається: від 0 до 1,5 л / сек, з похибкою ± 0,05 л / сек;

від 1,5 до 12,0 л / сек, з похибкою ± 3%.

– Діапазон вимірювання об'єму повітря, що вдихається і видихається від 0 до 10 літрів з абсолютною похибкою ± 3% або 0,05 л (що більше).

Спірограф відображає на екрані і друкує на принтері наступні показники вентиляції легенів:

– Показники по тесту форсованого видиху:

1.ФЖЄЛ (л) Об'єм форсованого видиху (різниця між обсягами повітря в легенях в точках початку і кінця маневру ФЖЄЛ)

2.ОФВ1 (л) Об'єм форсованого видиху за першу секунду

3.РОфвид Резервний обсяг видиху - максимальний обсяг, який можна додатково видихнути після спокійного видиху.

4.РОфвд Резервний обсяг вдиху - максимальний обсяг, який можна додатково вдихнути після спокійного вдиху.

5.ОФВ 0,5 (л) Об'єм форсованого видиху за перші 0,5 секунди

6.ОФВ1 / ЖЄЛ% Індекс Тіффно, що має діагностичне значення

7.ПОШ (л / с) Пікова об'ємна швидкість (максимальна швидкість потоку, що досягається в процесі форсованого видиху)

8.МОШ25 (л / с) Миттєва об'ємна швидкість в момент видиху 25% ФЖЄЛ

9.МОШ50 (л / с) Миттєва об'ємна швидкість в момент видиху 50% ФЖЄЛ

10.МОШ75 (л / с) Миттєва об'ємна швидкість в момент видиху 75% ФЖЄЛ

11.СОШ 25-75 л / с Середня об'ємна швидкість видиху, обумовлена ​в процесі видиху від 25 до 75% ФЖЄЛ

12.ОФВ ПОШ (л) Об'єм форсованого видиху до досягнення ПОШ

13.ОФВПОШ/ФЖЄЛ відношення ОФВПОШ до ФЖЄЛ

14.ТПОШ (с) Час досягнення пікової об'ємної швидкості

15.ТФЖЄЛ (с) Час форсованого видиху

Показники по тесту вимірювання життєвої ємності легень

16.ЖЄЛ, (л) Життєва ємність легень (різниця між обсягами повітря в легенях при повному вдиху і повному видиху)

17.РОвд Резервний обсяг вдиху - максимальний обсяг, який можна додатково вдихнути після спокійного вдиху.

18.РОвид Резервний обсяг видиху - максимальний обсяг, який можна додатково видихнути після спокійного видиху.

19.ДО Дихальний об'єм - об'єм, який видихається і вдихається при спокійному диханні.

20.Евд Ємність вдиху - сума ДО і РОвд

– Показники по тесту хвилинного обсягу дихання

21.ДО (л) Дихальний об'єм - середній об'єм повітря, що проходить через легені за один цикл вдиху-видиху, при виконанні тесту вимірювання хвилинного обсягу дихання ХОД).

22.ЧД Середня частота дихання в тесті ХОД

23.ХОД Хвилинний об'єм дихання (визначається як ДО х ЧД)

– Показники по тесту максимальної вентиляції легенів

24.ДО МВЛ (л) Дихальний об'єм - максимальний об'єм повітря, що проходить через легені за один цикл вдиху-видиху при проведенні тесту максимальної вентиляції легенів

25.ЧД МВЛ Максимальна частота дихання в тесті МВЛ

26.МВЛ Максимальна вентиляція легень (визначається як ДО МВЛ х ЧД МВЛ)

 

Спірограф забезпечує побудову графіків процедур вдиху-видиху: "потік-об'єм", "потік-час", "обсяг-час".

Спірограф забезпечує приведення виміряних і обчислених об'ємних і швидкісних показників до стандартних газових умов (BTPS).

У спірографі закладена можливість його калібрування за допомогою мірного шприца об'ємом 3 літри.Опір датчика спірометра диханню, не більше:

при потоці 1л / с 7 мм.вод.ст

при потоці 5л / с 40 мм.вод.ст

при потоці Юл / с 85 мм.вод.ст

Спірограф забезпечує виведення результатів обстеження на лазерний принтер фірми "Hewlett Packard" через інтерфейс типу USB і комп'ютер через інтерфейс типу СОМ-порт.

Живлення спірометра здійснюється від мережі змінного струмучастотою 50 Гц ± 0,5 Гц напругою 220 В ± 22 В. Потужність, споживана відмережі, не більше 5 Вт.З електробезпеки спірограф відповідає вимогам ГОСТР 50267.0-92, ГОСТ Р 50267.25-94 і виконаний по класу захисту II тип BF.

Середнє напрацювання спірометру на відмову, не менше 1600 ч.Середній термін служби спірометру до списання, не менше 5 років.

Час готовності до роботи не більше 1 хв після включення живлення.

Час безперервної роботи спірометру не менше 8 год на добу.

Зовнішні поверхні спірометру стійкі до дезінфекції 3%розчином перекису водню з додаванням 0,5% миючого засобу типу"Лотос", "Астра".

Маса спірометру, не більше 1,5 кг (без шприца і принтера).

Габаритні розміри основного блоку спірометру 200x153x66 мм.

 

Опис і робота спірографа.

Спірограф - це портативний настільний прилад, що виконує вимірювання та обчислення 26 показників зовнішнього дихання і формує заключний протокол обстеження. У протоколі обстеження містяться: дані про пацієнта (№, вік, вага, зріст, стать);дата і час обстеження;виміряні та розраховані значення показників, як в абсолютних значеннях, так і у відсотках від "належних" величин; оцінка ступеня відхилення від норми кожного показника;графіки процедури форсованого видиху: "потік-об'єм", "потік-час",або "обсяг-час";висновок за результатами обстеження (для пацієнтів від 18 років);виміряні та розраховані значення показників і графіки тестів хвилинного обсягу дихання, максимальної вентиляції легенів, вимірювання життєвої ємності легень.

Спірограф забезпечує автоматичне приведення об'ємних і швидкісних показників до стандартних газовим умовам (BTPS).

Конструктивно спірограф складається з основного блоку спірометра, датчика спірометра, мундштуків та принтера. Зовнішній вигляд спірометра наведено на рис. 1.

 

Рис.5. Зовнішній вигляд спірографа

 

Структурна схема спірографа, що поясняє його будову наведена на рис.6.

 

 

Рис.6. Структурна схема спірографа

 

Датчик спірометра забезпечує вимірювання повітряного потоку при вдиху або видиху пацієнта, перетворення його в напругу і передачу її в основний блок спірометра. Також в датчику спірометра розташований датчик температури для вимірювання температури повітря в приміщенні (для автоматичного приведення до умов BTPS).

В якості датчика повітряного потоку застосований датчик фірми Vitalograph, виконаний на основі трубки Флейша, який забезпечує високу точність вимірювань і має малий опір диханню пацієнта. Різниця тисків з двох сторін трубки Флейша пропорційна швидкості повітряного потоку через неї.

За допомогою диференціального датчика тиску фірми SenSym з дуже високою чутливістю ця різниця тисків перетворюється в напругу, яка потім підсилюється і передається в основний блок спірометра.

Датчик повітряного потоку кріпиться на ручці за допомогою двох пластмасових засувок. При проведенні очищення та дезінфекції його необхідно від'єднати від ручки. Герметичність з'єднання датчика повітряного потоку з датчиком тиску забезпечується спеціальними гумовими втулками.

Основний блок спірометру забезпечує прийом підсилення і обробку сигналів, що надходять від датчика спірометру, зберігання результатів обстеження в пам'яті і виведення їх на зовнішній принтер. В основному блоці спірометра розташовані: плата процесора спірометра; клавіатура спірометра; РКІ індикатор; зовнішні роз'єми; основний блок спірометру конструктивно розміщений в корпусі з ударостійкого пластику АБС, що складається з двох частин: підстави і кришки.

Всі основні вузли спірометра розташовані на друкованій платі процесора спірометра. Сигнал пропорційний швидкості повітряного потоку від датчика спірометру підсилюється, фільтрується і надходить на вхід 12-розрядного АЦП. Перетворені в цифрову форму сигнали зчитує 16-розрядний мікропроцесор Mitsubishi M30624FGAGP, який здійснює обробку цього сигналу і обчислення всіх результатів обстеження. Сигнал від датчика температури також підсилюється і фільтрується і надходить на внутрішній 10-розрядний АЦП мікропроцесора. Крім того, на платі процесора спірометра розташовані: схема сполучення з комп'ютером через стандартний СОМ-порт; схема сполучення з принтером по інтерфейсу типу USB; схема живлення спірометру від мережі 220В, 50Гц.

Клавіатура спірометра являє собою мембранну клавіатуру з 19 кнопками, яка наклеєна на передній панелі основного блоку і з'єднується з платою процесора спірометра гнучким шлейфом.

На клавіатурі спірометра є наступні кнопки:

"О" ... "9" - десять цифрових кнопок для введення цифрових даних;

"^" "►", "Т", "^" - кнопки для пересування по меню і результатах;

"ВВЕДЕННЯ" - кнопка для введення вибраного режиму або введення даних;

"ВИХІД" - кнопка для повернення в основне меню;

"ПОВТОР" - кнопка для повтору вимірювання;

"ЗАПИС" - кнопка для запису результатів обстеження в базу даних;

"ДРУК" - кнопка виводу результатів на принтер.

У спірографі застосований графічний РКІ дисплей з організацією - 240x128 пікселів. Розмір екрану - 110x60 мм. РКІ дисплей використовується для виведення результатів обстеження і вибору режиму роботи спірометру.

РКІ індикатор закріплений гвинтами на кришці корпусу основного блоку спірометра.

Спірограф має чотири зовнішніх роз'єму на задній панелі:"ДАТЧИК" - 4-контактний роз'єм для підключення датчика спірометру;"ІНТЕРФЕЙС" - 9-контактний роз'єм послідовного інтерфейсу длязв'язку з комп'ютером через стандартний СОМ-порт. Цей інтерфейс можебути використаний для передачі записаних в пам'ять результатів обстежень в комп'ютер для зберігання і подальшої обробки;"ПРИНТЕР" - USB роз'єм для підключення принтера;"220В 50Гц 5Вт" - роз'єм для підключення мережного шнура. Поруч з цимроз'ємом знаходиться вимикач живлення спірометру.

Основна екранна форма, індукованих даних на екрані спірометра після включення, наведена на рис.3:

Рис.7. Основна екранна форма.

 

В основній екранній формі індукується наступна інформація:Номер пацієнта;Температура оточуючого повітря;Поточна дата;Поточний час;Основне меню спірографа.

 

Опис режимів роботи спірографа.

Для кращого розуміння режимів роботи спірометру спочатку необхідно ознайомитися з методиками обстеження реалізованими в ньому.

Спірограф розрахований на обстеження пацієнта за певною методикою і дозволяє провести наступні тести:

Тест "хвилинного обсягу дихання" (ХОД):

У цьому тесті пацієнт спокійно дихає в датчик спірометру протягом заданого часу. При цьому на екрані спірометра відображається графік процесу дихання. Тривалість цього тесту може бути обрана 15, 30 або 60 секунд в підпункті "РЕЖИМ РОБОТИ" пункту основного меню - "ВИМІР".

При виконанні тесту ХОД визначається 3 параметри:

ДО Дихальний об'єм - середній об'єм повітря, що проходить через легені за один цикл вдиху-видиху, при виконанні тесту вимірювання хвилинного обсягу дихання.

ЧД Середня частота дихання в тесті ХОД (уд / хв)

ХОД | Хвилинний об'єм дихання: ДО х ЧД

У цьому тесті частота дихання приводиться до хвилини, незалежно від того, яка тривалість тесту була вибрана. Наприклад, якщо була обрана тривалість тесту 30 секунд, і пацієнт зробив 7 дихальних маневрів, то ЧД буде дорівнює 14 дих / хв.

Можливе проведення кількох спроб тесту хвилинного обсягу дихання, перегляд на екрані спірометру результатів усіх спроб і вибір однієї з них для виведення на друк або запису в базу даних спірометру.

Тест "ЖЄЛ":

У цьому тесті проводиться вимірювання життєвої ємності легень пацієнта. Життєва ємність легенів може бути виміряна як на вдиху (ЖЄЛвд), так і на видиху (ЖЄЛвид) залежно від дихальних маневрів пацієнта.

При проведенні тесту ЖЄЛ пацієнт спочатку виконує 2-3 циклу спокійного вдиху-видиху. Потім з рівня спокійного дихання робить повний вдих, потім повний видих і переходить до спокійного дихання - в цьому випадку буде виміряна ЖЄЛвид. Можливий інший варіант: з рівня спокійного дихання пацієнт робить повний видих, потім повний вдих і переходить до спокійного дихання - в цьому випадку буде виміряна ЖЄЛвд.

У будь-якому випадку спірограф вибирає дихальний маневр пацієнта з максимальною амплітудою і по ньому визначає ЖЄЛ і інші параметри, незалежно від того, був це вдих чи видих.

При проведенні тесту ЖЄЛ визначається 5 параметрів:

ЖЄЛ, (л) Життєва ємність легень (різниця між обсягами повітря в легенях при повному вдиху і повному видиху)

РОвд Резервний обсяг вдиху - максимальний обсяг, який можна додатково вдихнути після спокійного вдиху.

РОвид Резервний обсяг видиху - максимальний обсяг, який можна додатково видихнути після спокійного видиху.

ДО Дихальний об'єм - об'єм, який видихається і вдихається при спокійному диханні.

ЕВД Ємність вдиху - сума ДО і РОВД

Можливе проведення кількох спроб тесту ЖЄЛ, перегляд на екрані спірометра результатів усіх спроб і вибір однієї з них для виведення на друк або для запису в базу даних спірометра.

Спосіб визначення параметрів при виконанні тесту ЖЕЛ пояснюється на графіку наведеному нижче.

 

Тест «ФЖЄЛ»

У цьому тесті проводиться вимірювання параметрів форсованого видиху пацієнта. При проведенні тесту ФЖЄЛ пацієнт спочатку виконує 2-3 циклу спокійного вдиху-видиху, потім виконується повний вдих і після нього - повний форсований видих (видих з максимальною швидкістю) і повернення до спокійного дихання. При виконанні форсованого видиху, визначається 15 параметрів:

ФЖЄЛ (л) Об'єм форсованого видиху (різниця між обсягами повітря в легенях в точках початку і кінця маневру ФЖЄЛ)

ОФВ1 (л) Об'єм форсованого видиху за першу секунду

РОфвид Резервний обсяг видиху - максимальний обсяг, який можна додатково видихнути після спокійного видиху.

РОфвд Резервний обсяг вдиху - максимальний обсяг, який можна додатково вдихнути після спокійного вдиху.

ОФВ0, 5 (л) Об'єм форсованого видиху за перші 0,5 секунди

ОФВ1 / ЖЕЛ% * Індекс Тіффно, що має діагностичне значення.

ПОШ (л/с) Пікова об'ємна швидкість (максимальна швидкість потоку, що досягається в процесі форсованого видиху)

МОШ25 (л/с) Миттєва об'ємна швидкість в момент видиху 25% ФЖЄЛ

МОШ50 (л/с) Миттєва об'ємна швидкість в момент видиху 50% ФЖЄЛ

МОШ75 (л/с) Миттєва об'ємна швидкість в момент видиху 75% ФЖЄЛ

СОШ 25-75 л / с Середня об'ємна швидкість видиху, що визначається в процесі видиху від 25 до 75% ФЖЄЛ

ОФВ ПОШ (л) Об'єм форсованого видиху до досягнення ПОШ

ОФВПОШ / ФЖЄЛ Відношення ОФВПОШ до ФЖЄЛ

ТПОШ (с) Час досягнення пікової об'ємної швидкості

ТФЖЄЛ (с) Час форсованого видиху

* - Для розрахунку індексу Тіффно використовується значення ЖЄЛ виміряне при виконанні тесту ЖЄЛ, тому проведення тесту ФЖЄЛ без проведення тесту ЖЕЛ неможливо.

Всі виміряні величини по цим 15 параметрах, а також "належні" значення цих параметрів, обчислені по введених даних пацієнта і оцінка ступеня відхилення від норми, виводяться на принтер.

Можливі такі оцінки ступеня відхилення від норми: "більше норми", "норма", "умовна норма", "дуже легке зниження", "легке зниження", "помірне зниження", "значне зниження", "вельми значне зниження", " різке зниження "," вкрай різке зниження ".

Також за результатами форсованого видиху спірограф виводить на принтер два графіка форсованого видиху. Перший графік "потік - об'єм" (залежність швидкості форсованого видиху від обсягу видиху), а в якості другого графіка може бути надрукований один з двох графіків на вибір (задається в пункті меню "НАЛАШТУВАННЯ"):

"Потік - час": залежність швидкості форсованого видиху від часу;

"Обсяг - час": залежність обсягу форсованого видиху від часу.

Крім того для пацієнтів від 18 років, за результатами цього тесту, спірограф

може надрукувати висновок. Ви можете дозволити або заборонити друк висновку в пункті меню "НАЛАШТУВАННЯ".

Можливе проведення кількох спроб тесту ФЖЄЛ, перегляд на екрані спірометру результатів усіх спроб і вибір однієї з них для виведення на друк або для запису в базу даних спірометру.

Тест "МАКСИМАЛЬНА ВЕНТИЛЯЦІЯ ЛЕГЕНІВ" (МВЛ):

У цьому тесті пацієнту пропонується виконати протягом 15 секунд дихальні цикли з максимальною амплітудою вдиху-видиху і максимальною частотою. При цьому на екрані спірометра відображається графік процесу дихання.

При виконанні тесту МВЛ визначається 3 параметри:

ДО МВЛ (л) Дихальний об'єм - максимальний об'єм повітря, що проходить через легені за один цикл вдиху-видиху при проведенні тесту максимальної вентиляції легенів.

ЧД МВЛ Максимальна частота дихання в тесті МВЛ

МВЛ Максимальна вентиляція легень (визначається як ДО МВЛ х ЧД МВЛ)

Повторення тесту МАКСИМАЛЬНОЇ ВЕНТИЛЯЦІЇ ЛЕГЕНІВ не передбачено.

Режим "інгаляційні ПРОБИ":

Режим "інгаляційнІ ПРОБИ" призначений для спостереження за динамікою змін показників форсованого видиху пацієнта після проведення інгаляцій. При включенні цього режиму Ви маєте можливість провести кілька вимірів ЖЄЛ і ФЖЄЛ для одного і того ж пацієнта. При проведенні кожної наступної спроби на екрані спірометру будуть відображатися результати цієї спроби і відсоток зміни показників форсованого видиху в порівнянні з першою спробою. У цьому режимі є можливість в проміжку між двома спробами одного пацієнта проводити обстеження інших пацієнтів.

 

Звукові методи дослідження в клініці

 

Звук являє собою механічні коливання частотою від 16Гц до 20кГц, які розповсюджуються в пружному середовищі. Джерелом звуку може бути тіло, що коливається у вказаному діапазоні звукових частот(камертон, струна). Звуки поділяються на тони, шуми і звукові удари. Розрізняють прості і складні тони. Простий тон – це звукове коливання, яке відбувається  по гармонічному закону. Якщо тон представляє собою не гармонічне коливання, то він називається складним. Простий тон дає камертон, складний – музичний інструмент, голосовий апарат людини. Складний тон, згідно теореми Фур’є, може бути розкладений на прості, при цьому тон найменшої частоти називається основним, а інші – обертонами. Основними фізичними(об’єктивними) характеристиками звуку є такі:

 Інтенсивність звуку - це величина енергії, яку в середньому переносить звукова хвиля за одиницю часу через одиницю площі поверхні перпендикулярної до напрямку поширення хвилі:

        (1)

де r– густина середовища, - швидкість поширення хвилі, w - циклічна  частота, А – амплітуда хвилі. Як видно із формули (1), енергія та інтенсивність хвилі прямо пропорційні квадрату її амплітуди.

Звуковий тиск - це ефективне значення надлишкового над атмосферним тиском, яке утворюється у місцях згущення часток повітря у звуковій хвилі . Інтенсивність звуку I рівна квадрату амплітуди звукового тиску діленого на , і визначається за формулою:

                          (2)

де  - акустичний  опір (імпеданс ) , Р - звуковий тиск.

         Акустичний гармонічний спектр - це результат розкладання складного коливання ( тону )на прості тони (гармоніки ) ,які його складають , з вказанням їх частоти і амплітуди (інтенсивності ) .

З фізичними (об’єктивними) характеристиками звуку тісно зв’язані фізіологічні (суб’єктивні) характеристики звуку . Цей зв'язок ілюструється схемою приведеною на рисунку:

При клінічних дослідженнях вимірюють поріг слухового відчуття I₀, під яким розуміють інтенсивність звуку даної частоти , яка ще сприймається вухом ( або мінімальний звуковий тиск) . Нормальне людське вухо сприймає досить широкий діапазон інтенсивностей звуку: так на частоті 1000 Гц від ( поріг слухового відчуття ) до I= 10 Вт/м2 (поріг больового відчуття ). Відношення цих інтенсивностей рівне 10¹³, тому для зручності вводять шкалу рівня інтенсивності. Шкала рівня інтенсивностей звуку створюється таким чином : значення I₀ приймається за початковий рівень шкали , будь-яку іншу інтенсивність виражають через десятковий логарифм її відношення до I₀:

                (3)

За одиницю рівня інтенсивності прийнято 1Бел (Б) , яка відповідає зміні інтенсивності в 10 разів ,а також 1дециБел (дБ) =0,1 Б

            (4)

Для фізіологічної оцінки гучності звуку вводять шкалу рівня гучності LE. При постійній частоті рівень гучності зв’язаний  з рівнем інтенсивності законом Вебера -Фехнера, згідно з яким рівень гучності на даній частоті пропорційний рівню інтенсивності:

           (5)

тобто, якщо інтенсивність звуку змінюватиметься у геометричній прогресії (тобто в однакове число раз), то рівень гучності змінюватиметься в арифметичній прогресії(тобто, на однакову величину);  k- коефіцієнт пропорційності , який залежить від частоти та інтенсивності . Відносно звуку це означає, що якщо інтенсивність звуку приймає ряд послідовних значень, наприклад aI, a2I, a3I(а – деякий коефіцієнт, а>1), то відносне їм відчуття гучності звуку буде Е0, 2Е0, 3Е0 і т.д. Якщо б коефіцієнт k був сталим , то шкала інтенсивностей відповідала б шкалі гучності .

Вважають ,що на частоті 1000 Гц шкали рівня гучності і рівня інтенсивності звуку співпадають . тобто (k=1) на цій частоті децибел шкали рівня інтенсивності буде відповідати децибелу шкали рівня гучності. Для відмінності шкали інтенсивності від шкали гучності децибел називають фоном.

 

Звук є джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини. Робота серця, легенів та інших органів супроводжується звуковими явищами. Знаючи, якими повинні бути ці звуки при нормальному функціонуванні органів і тканин, можна визначити характер захворювання або пошкодження органа при тій чи іншій патології.

Прослуховування і аналіз тонів та шумів, які виникають під час функціонування внутрішніх органів, називається аускультацією. Для прослуховування звуків використовують фонендоскоп. Його дія ґрунтується на резонансному підсиленні звуку. Резонансні порожнини  дають характерні (з малим затуханням) звукові коливання і по-різному проводять звуки, що використовується в іншому методі звукового дослідження – перкусії.

Перкусія — це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні молоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого. При постукуванні резонують порожнини всередині організму, по-різному реагують на стук молоточка або пальця м'які, пружні, тверді та порожнисті органи. При ударі по пружних тканинах або тканинах, що оточують порожнини тіла, заповнені повітрям, внутрішній звук підсилюється і стає дзвінким (тимпанічним). Якщо черевна порожнина містить багато рідини (водянка), перкуторний звук буде коротким і глухим.

Добре резонують порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та еластичні перетинки (ясний звук).

Для діагностики серцевих захворювань використовують метод фонокардіографії (ФКГ) заснований на реєстрації та аналізі звуків, що виникають при скороченні і розслабленні серця. Фонокардіографія об’єктивно відображає та уточнює результати амплітудного і частотного аналізу звуків, вимірювання їхньої тривалості й інтервалів між ними (рис. 2).

Рис. 2. Фонокардіограма (цифрами I, II, III, IV позначені відповідно перший, другий, третій і четвертий тони серця).

 

Для фонокардіографії використовують спеціальні прилади – фонокардіографи або фонокардіографічні приставки, основними елементами конструкції яких є мікрофон, що перетворює звукові коливання в електричні; частотні фільтри, з’єднані з підсилювачами сигналів, що надходять від мікрофона; пристрій, що реєструє та забезпечує запис коливань до 1000 Гц при швидкості реєстрації 50 і 100 мм/с (рис.3).

Рис. 3. Фонокардіограф комп’ютерний «Сфера».

 

 Використання різних типів мікрофонів (лінійного, стетоскопічного, логарифмічного) і смугових фільтрів дозволяє для виділення діагностично значимих звукових феноменів реєструвати звукові коливання як у практично повному та аускультуючому, так і в спеціально обраному діапазоні частот.

 

Втрату слуху досліджують методом аудіометрії. З цією метою визначають поріг чутності для різних тонів на спеціальному приладі – аудіометрі. Отримана крива називається аудіограмою. Порівняння аудіограми хворої  і здорової людини дозволяє діагностувати захворювання органів слуху.

 

 

Лабораторна робота

Тема роботи: Вивчення фізичних основ тональної  аудіометрії

Мета роботи: Вивчити принцип роботи, призначення і правила експлуатації аудіометра Sound Generate. Навчитися експериментально визначати  поріг слухового відчуття “пацієнта ” на різних частотах з допомогою аудіометра Sound Generate.

Прилади і матеріали:

Персональний комп’ютер, аудіометр Sound Generate, бланки аудіограм, навушники Sven GD-750.

Теоретичні відомості

Органом сприйняття і аналізу пружних коливань середовища являється слуховий аналізатор – вухо людини. В результаті тривалої еволюції орган слуху людини набув складну структуру, яка забезпечує сприйняття звукових коливань в діапазоні від 16 до 20000Гц.. Слухові подразнення, що сприймаються корою великих півкуль головного мозку надзвичайно багатогранні. Вухо людини може розрізняти висоту, гучність та тембр звуку, а також напрям поширення і відстань до джерела звуку. Разом з тим, індивідуальні можливості вуха змінюються в широкому діапазоні і нерідко понижуються з віком. Зокрема, при порушенні рецепторних клітин у результаті вікової дегенерації або патологічного процесу погіршується сприйняття звуку на високих частотах.

Кардинальним методом дослідження слухового апарату людини є тональна порогова аудіометрія, яка широко використовується в клінічній і поліклінічній практиці для дослідження органів слуху. Величина порогу слухового відчуття і її залежність від частоти являється важливим діагностичним фактором, який дозволяє в ряді випадків визначити локалізацію патологічних змін органів слуху . Крім того це важливо і для розуміння різних діагностичних методик: аускультації, перкусії, фонокардіографії , для розуміння дїї на органи людини інфразвуку і шумів .

Залежність рівня інтенсивності звуку від частоти, який сприймається людським вухом як звук однакової гучності із звуком на частоті 1000 Гц називається кривою рівня гучності. Важливе значення має крива нульового рівня гучності (поріг слухового відчуття ), яка дає залежність I0  від частоти .

При погіршенні слуху крива порогу слухового відчуття буде розташована вище від нормальної.

На кожній частоті різниця рівня інтенсивності в патології і нормі відповідає різниці рівня гучності , тобто відчуття одного й того ж звуку в нормі і патології . Ця різниця в нормі і патології називається втратою слуху. Втрата слуху - це зниження рівня гучності сприйняття пацієнтом звуку даної частоти (рівня інтенсивності) по відношенню до норми. Втрату слуху прийнято оцінювати по підвищенню рівня інтенсивності в порівнянні з нормою . Так як дослідження проводиться на рівні порогу слухового відчуття , то метод називається пороговим, а оскільки вимірювання проводиться на чітко визначеній частоті, то метод називається тональним.

Органом сприйняття і аналізу пружних коливань середовища являється слуховий аналізатор – вухо людини. В результаті тривалої еволюції орган слуху людини набув складну структуру, яка забезпечує сприйняття звукових коливань в діапазоні від 16 до 20000Гц.. Слухові подразнення, що сприймаються корою великих півкуль головного мозку надзвичайно багатогранні. Вухо людини може розрізняти висоту, гучність та тембр звуку, а також напрям поширення і відстань до джерела звуку. Разом з тим, індивідуальні можливості вуха змінюються в широкому діапазоні і нерідко понижуються з віком. Зокрема, при порушенні рецепторних клітин у результаті вікової дегенерації або патологічного процесу погіршується сприйняття звуку на високих частотах.

Кардинальним методом дослідження слухового апарату людини є тональна порогова аудіометрія, яка широко використовується в клінічній і поліклінічній практиці для дослідження органів слуху. Величина порогу слухового відчуття і її залежність від частоти являється важливим діагностичним фактором , який дозволяє в ряді випадків визначити локалізацію патологічних змін органів слуху . Крім того це важливо і для розуміння різних діагностичних методик: аускультації , перкусії , фонокардіографії , для розуміння дїї на органи людини інфразвуку і шумів .

 

Таким чином метод тональної порогової аудіометрії - це метод дослідження слуху пацієнта, який ґрунтується на визначенні втрати слуху по підвищенню рівня інтенсивності, який відповідає рівню слухового відчуття у порівнянні з нормою. Для оцінки втрати слуху будується аудіограма. Аудіограма - це графік, який показує втрату слуху в децибелах в залежності від частоти коливань. Блок-схема аудіометра приведена на мал.2.

Т – телефон, к1 – перемикач інтенсивності маскуючого шуму, к2 – перемикач і кнопка подачі тону.

В роботі для зняття аудіограми використовується генератор звукових коливань Sound Generate.

Аудіометр Sound Generate генерує частоти чистих тонів: 125, 250, 500, 100, 2000, 3000, 4000, 6000, 8000Гц. Зміна рівня інтенсивності здійснюється дискретно через 5±1,5дБ. Нульове положення шкали “Понижение слуха, дБ” для всіх частот відповідає порогу слухового відчуття.

Порядок виконання роботи

Запустіть програму Sound Generate командою головного меню: "ПУСК-Программы-18_10_11-Sound_Generate.   Натиснути кнопку STOP (рис. 5)

 

Рис. 5 Вигляд вікна програми Sound Generate.

1-кнопка пуск.

2-кнопка зупинки генерації сигналу.

3-повзунок регулятора гучності.

4-вікно встановлення частоти генерації сигналу

5- вікно встановлення частоти генерації імпульсів.

6-вікно графічного представлення генерованого сигналу.

 

Запустіть програму Master Volume (рисунок 2.) і переведіть регулятор балансу у крайнє ліве положення.

 

Рис.6 Вигляд вікна програми Master Volume.

 

1-регулятор балансу.

Пацієнту одягнути навушники (переконатися, що ролик регулятора гучності встановлений на максимальну гучність рис.7), за допомогою регулятора (1, рис1) встановити частоту 1000 Гц і за допомогою перемикача (3, рис1), встановити гучність на мінімальне положення .

Рис.7 Навушники Sven GD-750.

 

Поступово збільшуючи гучність до тих пір поки пацієнт  чітко відчує звук .

Знайти те положення регулятора гучності , яке відповідає порогу слухового відчуття . Використовуючи рис1 перевести відсоткове значення гучності у Гц це і буде інтенсивністю (дБ) тону, яке відповідає порогу слухового відчуття  В цьому місці на бланку аудіограми у  вашому зошиті поставити крапку .

Повторити процедуру визначення порогу слухового відчуття на інших частотах. Рекомендується наступний порядок чергування частот в процесі дослідження : 1000, 2000 , 3000 , 4000 , 8000 , 500 , 250 , 125 Гц .

З’єднати точки, що відповідають порогу слухового відчуття на різних частотах лінією і таким чином одержують аудіограму для даного вуха .

 Повторити дослідження на іншому вусі, для чого регулятор балансу (рис.6) перевести в інше положення .

Після прослуховування фрагменту музичного файлу впрдовж 2 хв    повторити експеримент згідно пунктів 3-8.

 Після прослуховування фрагменту музичного файлу «Вода-1» впрдовж 2 хв    повторити експеримент згідно пунктів 3-8.

Розрахуйте залежність  і представте її у вигляді графіка .Розрахунок інтенсивності провести по формулі :

де  I 0  - інтенсивність , яка відповідає порогу слухового відчуття (I0 =10-12 Вт/м2 ), - втрата слуху в дБ , визначається по аудіограмі .

 

Сучасні аудіометри

Рис.      Зовнішний вигляд аудіометра АП-2

 

Рис.    Структурна схема аудіометра АП-2

 

Аудіометр поліклінічний АА-02. Прості в обігу надійні поліклінічні аудіометри для дослідження повітряної і кісткової провідності. Застосування маскуючого шуму (вузькосмуговий і широкосмуговий). Поліклінічні аудіометри мають два режими роботи: автоматизований (за програмою, що задається вбудованим програмним пристроєм) і ручний (з участю медичного персоналу).

Основні особливості аудіометрів - це тональна порогова аудіометрія при повітряному і кістковому звукопроведенні, маскування широкосмуговим або вузькосмуговим шумом, автоматизований і ручний режим роботи аудіометра, можливість проведення скринінгових обстежень, а також можливість підключення принтера або комп'ютера.

Поліклінічні аудіометри мають слідуючі переваги: аудіометр автоматизований АА-02 призначений для оцінки функціонального стану слухового аналізатора людини шляхом визначення порогів чутності по повітряному і кістковому звукопроведенню методом порівняння слуху обстежуваного з характеристиками, еквівалентними порогу чутності нормальної людини. Аудіометр АА-02 за функціональними можливостями відноситься до аудіометрів типу 3 по ГОСТ 27072 -86 і може використовуватися для діагностики слуху в різних медичних установах. Конструктивно аудіометр АА-02 виконаний в пластмасовому корпусі OKW, має клавіатуру плівкового типу з тактильным ефектом, індикацію режимів роботи і результатів обстеження на ЖК-дисплеї. Поліклінічний аудіометр простий в управлінні, має невелику вагу і габарити. Функціональні можливості аудіометра: визначення втрат слуху при повітряному і кістковому звукопроведенні і маскування недосліджуваного вуха широкосмуговим або вузькосмуговим шумом.

Поліклінічні аудіометри мають два режими роботи: ручний (з участю медичного персоналу) і автоматизований - за вбудованою програмою процедури обстеження в автоматизованому режимі роботи (дозволяє вибрати частоти, на яких проводитиметься обстеження, провести скринінгове обстеження).

Має наступні можливості: індикація подачі тестового сигналу аудіометра, індикація поточних параметрів сигналу і відповідей пацієнта, звукова сигналізація про завершення процесу обстеження в автоматизованому режимі роботи і відтворення результатів обстеження на індикаторі.

Аудіометр дає автоматичний висновок про стан слуху "Норма - Не норма - Невизначеність". Поліклінічні аудіометри мають можливість підключення струменевого принтера Нewlett Рackard або комп'ютера. Функціональні можливості аудіометра: можливість роздруковувати аудіограми безпосередньо з аудіометра на принтер - підключення принтера до аудіометра (струменеві принтери Hewlett Packard) проводиться за допомогою пристрою інтерфейсного і кабелю Bitronics.

Принтер дозволяє виводити на друк аудіограму безпосередньо після обстеження пацієнта.

Можливості обробки результатів дослідження аудіометра на ПК: підключений до аудіометра комп'ютер, після установки на нього програми обробки результатів аудіометричних обстежень, дає можливість створювати базу даних пацієнтів, відображати результати обстежень на екрані монітора і роздруковувати їх на будь-якому принтері, підключеному до комп'ютера. База даних складається з набору індивідуальних карток пацієнтів, розбитих на картотеки за задовільною ознакою. В кожній картці містяться відомості про пацієнта (ПІБ, стать, рік народження, адреса, місце роботи) і відомості про пройдені ним за допомогою аудіометра обстеженнях (дата обстеження, аудіограма, висновок лікаря). Програма обробки результатів дослідження аудіометра дуже проста в освоєнні і вимагає мінімальних навиків в роботі з комп'ютером. Програма має два основних робочих вікна - "Картотека" і "Обстеження".

Підключення комп'ютера до аудіометра проводиться за допомогою пристрою інтерфейсного і нестандартного кабелю DB25-вилка/DB9-розетка. Вимоги до комп'ютера при підключенні аудіометра: операційна система Windows 98 або Windows 2000, наявність вільного com-порту.

Повітряне звуковідтворення:

Частоти:   125, 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, 8000 Гц

 

Аудіометр-тимпанометр АА220

Виробник (Торгова марка): INTERACOUSTICS (DENMARK). Тимпанометр AA220 суміщає багато функцій двохканального поліклінічного аудіометра і импедансометра АТ235. Всі дані можуть роздруковуватися на вбудованому термопринтері, передаватися на зовнішній лазерний принтер або комп'ютер. Тімпанометр АА220 дозволяє проводити аудіометрію по повітряній і кістковій провідності, мовну аудіометрію, тести SISI (ІМПІ), Stenger, ABLB, Hughson-Westlake.

 

Аудіометр (багатопацієнтна модифікація) GSI-70

Прилад призначений для виконання державних програм скринінгу новонароджених на чинники ризику по туговухости. Тестування можна проводити, починаючи з 10 годин після народження. Час дослідження: 10с - одне вухо. Є модифікація для одного пацієнта ( в установах, де в рік обстежуються 200 новонароджених) і для великої кількості пацієнтів (для великих пологових будинків). Многопацієнтна модифікація дозволяє внести в пам'ять 150 імен пацієнтів і 350 тестових результатів.

 

Аудіометр НЕЙРО-АУДІО

Аудіометр НЕЙРО-АУДІО - 2-канальний прилад для проведення об'єктивної аудіометрії і дослідження затриманої викликаної отоакустичної емісії. Прилад для аудіологічного скринінгу новонароджених.

Призначення:
Рання діагностика порушень слуху у новонароджених і дітей перших років життя за допомогою скринінгових методик отоакустичної емісії (ОАЕ), поглиблена перевірка стану слуху методом коротколатентних слухових викликаних потенціалів (КСВП).

 

Мікропроцесорний портативний аудіометр GSI-17

Мікропроцесорний портативний аудіометр GSI-17 дозволяє проводити тональну аудіометрію по повітряному звукопроведенню на 11 фіксованих частотах в діапазоні 125 - 8000 Гц з інтенсивністю від -10 до 100 дБ з індикацією в цифровому вигляді на вбудованому рідкокристалічному дисплеї. Призначення: проведення масових скринінгових досліджень для виявлення порушень слуху без диференціальної діагностики типу туговухости. Область застосування: медпункти, поліклініки, приймальні відділення лікарень і шпиталів.

 

Вивчення роботи ультразвукових апаратів

Фізичні основи ультразвукової діагностики

Ультразвук - це досить широка область механічних коливань, що лежать за межею порогу чутливості людського вуха (вище 16 кГц).

Графічно він зображується в вигляді синусоїди, додатні півхвилі якої відповідають згущенню в середовищі, а від'ємні - розрідженню, це можна побачити на рис. 1.

Рис.1. - Згущення і розрідження, графічне зображення хвиль:

.- довжина хвилі; А - амплітуда; Р - акустичний тиск

 

Ультразвук отримують за допомогою зворотного п'єзоелектричного ефекту ПЕЕ (РЕ), фізична суть якого полягає у тому, що при прикладенні до торцевої поверхні пластини з кварцу чи титанату барію (тибару) змінної електричної напруги пластина буде періодично змінювати свою товщину (стиск - розтяг). В свою чергу це призведе до того, що в прилягаючих до пластини шарах зовнішнього середовища виникає то розрідження, то згущення частинок середовища, тобто виникають механічні коливання ультразвукової частоти. Ультразвукові хвилі здатні відбиватися від границь різнорідних середовищ, мають властивості фокусування, дифракції і інтерференції. Якщо акустичний опір середовищ відрізняється різко, то відбивання ультразвуку сильно зростає. Так відбувається на границі біологічних тканин з повітрям. До того ж повітря сильно поглинає ультразвук. Звідси витікає основна і найважливіша вимога до методики ультразвукової діагностики - забезпечення безповітряного контакту ультразвукового випромінювача з ділянкою тіла. Для цього використовують так звані контактні середовища: вазелін, гліцерин, ланолін, дегазовану воду. Відбивання ультразвукових хвиль залежить і від кута їх падіння на зону дії. Чим більше цей кут відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Тому при проведенні процедури ультразвуковий випромінювач повинен дотикатися до шкіри всією своєю поверхнею, оскільки тільки в цьому випадку можлива ефективна передача енергії тканинам. Ультразвук поглинається тканинами нерівномірно: чим більший акустичний опір тканин, тим більше поглинання. Поглинання ультразвуку зумовлено внутрішнім гальмуванням, тертям, і співударами частинок середовища,що коливаються.

Генератором ультразвукових хвиль є передавач, який одночасно відіграє роль приймача відбитих сигналів. Генератор працює у імпульсному режимі, випромінюючи близько 1000 імпульсів за секунду. У проміжках між генеруванням ультразвукових хвиль, п’єзодатчик фіксує відбиті сигнали.

У системах медичної ультразвукової діагностики зазвичай використовують частоту від2 до 10 МГц.

Ультразвукові хвилі відбиваються від межі різнорідних середовищ. Із збільшенням акустичного опору середовища коефіцієнт відбиття хвиль зростатиме. Так відбувається на межі біологічних тканин із повітрям, яке сильно поглинає ультразвукові хвилі. Звідси випливає основна і найважливіша вимога до методики ультразвукової діагностики: забезпечення безповітряного контакту ультразвукового випромінювача з ділянкою тіла. Для цього використовують відповідні контактні середовища: вазелін, гліцерин, ланолін, дегазовану воду. Відбиття ультразвукових хвиль залежить і від кута їхнього падіння на зону дії. Чим більше кут падіння сигналів відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Ультразвук поглинається біологічними тканинами нерівномірно: із збільшенням акустичного опору тканин зростатиме коефіцієнт його поглинання.

 

  

Рис.    Зовнішній вигляд апарата для ультразвукової терапії УЗТ – 1.01 Ф

 

На рис.  1 – ручка, 2 – роз’єм  ,,Виход’’ для під’єднання випромінювачів, 3 – світловий індикатор вихідної напруги, 5 – світловий індикатор вмикання мережі, 6 – перемикач ,,Излучители’’, 7 – перемикач ,,Интенсивность, ВТ/см2 ’’,8 – перемикач ,,Режим работи’’, 9 – процедурний годинник, який вмикає апарат у мережу і встановлює час тривалості процедури.

 

Нижче зображена функціональна схема апарата УЗТ – 1.01 Ф

 

 

Рис.  Функціональна схема електронного блока апарата УЗТ – 1.01 Ф

1- автогенератор, 2- модулятор, 3 – буферний каскад, 4 – попередній підсилювач, 5 – вихідний підсилювач ,6 – індикатор вихідної напруги, 7 – імпульсний генератор, 8 – блок живлення, 9 – процедурний годинник.

Рис.2. Процедура УЗ дослідження

 

Рис.    Блок-схема УЗ-сканера з лінійним випромінювачем

 

Глибина проникнення ультразвуку залежить від його частоти і від особливостей самих тканин. Прийнято вважати, що в умовах цілісного організму ультразвук частотою 800-1000 кГц розповсюджується на глибину 8-10 см, а при частоті 2500-3000 кГц - на 1-Зсм.

Ультразвукова енергія є сумою кінетичної енергії коливальних частинок і потенційної енергії пружної деформації середовища, вимірюється в джоулях (Дж) (СІ). Акустична потужність являє собою енергію, що переноситься за одиницю часу через поверхню, перпендикулярну до напрямку розповсюдження звукової хвилі, вимірюється в ватах (Вт).

В медицині прийнято виділяти три діапазони інтенсивностей:

0,05-0,6 Вт/см2 - низький рівень інтенсивності;

0,6-1,2 Вт/см2 - середній рівень інтенсивності;

вище 1,2 Вт/см2 - надтерапевтичний, високий рівень інтенсивності.

Механізм фізіологічної і лікувальної дії ультразвуку

В механізмі дії ультразвуку виключна роль належить впливу його на біоструктури, перш за все на воду. Чутливі до ультразвуку і білки. Під його впливом виникає конформаційний ефект, що викликається або розривом бічних зв'язків між ділянками поліпептидного ланцюга або зсувом гідратаційних і сольватаційних процесів. Під впливом ультразвуку відбувається конформаційна перебудова мембран, при цьому підвищується проникливість гістогематичних бар'єрів і здійснюється зсув рН в лужну сторону.

Взагалі при впливі ультразвуку на організм виникає ряд процесів, які в схематичному вигляді зображено на рис.3.

Дія ультразвукової хвилі з малою інтенсивністю на рівні  чинить позитивний терапевтичний вплив, в основі якого лежить прискорення фізіологічних процесів у клітинах.

При збільшенні інтенсивності ультразвуку на декілька порядків (до  і вище) внутрішні рухи окремих цитоплазматичних частин клітин підсилюються, виникає ефект кавітації і, як наслідок, необоротні зміни структури і функцій клітин. Цей механізм пояснює бактерицидну дію ультразвуку.

Ультразвуки великої інтенсивності використовуються також з метою руйнування різного роду новоутворень (пухлин тощо). Подібний механізм дії ультразвуку застосовується також в стоматології (зняття зубних каменів, висвердлювання зубних каналів тощо). Процес руйнування біологічних тканин при інтенсивностях вище  використовується в ультразвуковій хірургії та при ультразвуковому остеосинтезі – зварюванні тканин та кісток за рахунок значного підвищення в них швидкості процесів дифузії.

У фармацевтичній промисловості кавітаційні процеси, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, використовуються для диспергування твердих і рідких матеріалів з метою отримання лікарських препаратів: порошків, емульсій тощо.

Механічні та теплові ефекти, що виникають при дії ультразвуку на різні біологічні тканини, лежать в основі методу ультразвукової фізіотерапії.

 

 

Рис.3 - Схема взаємодії ультраакустичної енергії з біологічним середовищем і реакції організму

 

В сучасній ультразвуковій діагностичній апаратурі використовуються датчики Д (S) трьох типів: механічні секторні, електронні секторні та лінійні, які залежно від технології виготовлення і технічних характеристик забезпечують практично всю гаму УЗ функціональних досліджень. На рис. зображені: конвексний 1-5 МГц; конвексний об’ємний 1-6 МГц; лінійний 3-12 МГц; секторний фазований 1-5 МГц; мікроконвексний 3-10 МГц. датчики.

У конвексних датчиках зона огляду визначається характерними розмірами – довжиною дуги, що відповідає випуклій частині. Крім частоти вказується кутовий розмі сектора сканування у градусах. Приклад маркування: 3,5 МГц /600/60 мм. У лінійних датчиках вказується ширина прямокутної зони огляду. Приклад маркування: 5 МГц /42 мм. Для фазованого секторного датчика вказується кутовий розмір сектора сканування. Приклад маркування: 3,5 МГц /600 мм.

 

Механічне секторне сканування MCC (MSS) забезпечує перевагу малої площини контакту з тілом пацієнта у поєднанні з широким оглядовим полем у дальній зоні, тому ідеально відповідає тим варіантам застосування апаратури, де є обмежений доступ до досліджуваної частини тіла. Застосовується для формування УЗ-зображень голови новонародженого, серця, кісткового сканування та гінекологічних досліджень.

Рис.6 - Схема механічного секторного сканера

 

У ротаційних сканерів кілька окремих ультразвукових випромінювачів обертаються навколо загальної осі, а у коливальних сканерів один ультразвуковий випромінювач здійснює коливальні рухи відносно свого нульового положення.

Оскільки механічні секторні сканери працюють з одним або декількома УЗ випромінювачами, то вони забезпечують таку ж високу роздільну здатність, як і комбіновані сканери. Одним із небагатьох їх недоліків є обмежена ширина зображення в ближньому полі УЗ випромінювача.

Електронне секторне сканування ЕСС (ESS). Аналогічно до механічних сканерів в медичній практиці застосовуються і електронні секторні сканери.

 

Інфразвук

Інфразвукові коливання і хвилі – це пружні коливання з частотами до 16 Гц. Інфразвук дуже слабко поглинається в газах, рідинах та твердих тілах і тому може поширюватися майже без втрат на великі відстані. Ця надзвичайно важлива властивість інфразвуку використовується у техніці – у звукометричних приладах (мікрофони, гідрофони тощо) для реєстрації різноманітних процесів, що відбуваються з інфразвуковими частотами. До таких процесів належать землетруси, вибухи, виробничі шуми і вібрації, грозові розряди, турбулентні явища в атмосфері, хвилі цунамі тощо.

Інфразвук негативно впливає на функціональний стан ряду систем організму. Вважається, що первинний механізм дії інфразвуку на організм має резонансну природу. Частоти власних коливань тіла людини відповідають частоті інфразвуків, тому вони викликають головний біль, роздратування, втому, знижують працездатність. Інфразвук з частотою 7 Гц шкідливо діє на серце, а з частотою 9–13 Гц – на -ритми головного мозку. Високоінтенсивні виробничі шуми і вібрації, що мають складний неперіодичний характер в різних частотних інтервалах, включаючи інфразвуковий, також є шкідливими для людини. Рівень інтенсивності цих звуків вимірюється за допомогою спеціальних приладів – шумомірів. Гранично дозволений рівень інтенсивності низько­ частотних шумів та вібрацій дорівнює , їх нормальним рівнем вважають значення .

Методи ультразвукової ехо-імпульсної візуалізації знайшли широке застосування в медицині, хоча закладені в їх основу наукові принципи поки що не до кінця зрозумілі. Існуючі ехосистеми нараховують багато видів. Досить умовно можна уявити, що всі вони складаються з шести основних взаємопов'язаних частин відповідно до рис.4.

Рис.4 - Блок-схема, що показує зв'язок між основними вузлами ехо-імпульсних діагностичних систем

 

Основними методами ультразвукової діагностики є ехографія, сонографія та доплерографія. Ехографія — це одномірне ультразвукове дослідження, в якому виділяють А та М-методи. При А-методі відбиті від окремих елементів об'єкта імпульси формують на прямій лінії індикатора піки з великою амплітудою. Таким чином можна вимірювати відстань між різними тканинами органа, глибину їх залягання, наявність стороннього тіла, пухлини тощо, що використовується при морфологічному дослідженні ока та головного мозку. М-метод використовується для дослідження рухомого органа - серця. При цьому методі віддзеркалені від рухомої стінки серця імпульси записуються у вигляді кривої лінії. За формою та розташуванням таких кривих визначають характер скорочень серця.

Ультразвукове дослідження (сонографія) є одним з найбільш інформативних методів неінвазивної діагностики в медицині. Завдяки тому, що органи й тканини мають різну проникність для ультразвукових хвиль, від одних структур хвиля відбивається, іншими поглинається та проходить практично вільно. Цей принцип ехолокації був покладений в основу УЗД-сканерів – відбиті від неоднорідних за проникністю структур ультразвукові хвилі виявляються давачем апарату і після комп’ютерної обробки перетворюються на екрані монітора в точки свічення, з яких і формується зображення у вигляді зрізу тканин. За останні роки з розвитком технологій стало можливим отримання не тільки двовимірних “зрізів” але й об’ємних зображень органів, плода в матці тощо (рис. 5).

 

Рис. 5. Приклади тривимірного УЗД плода в режимі реального часу.

 

Методи сканування і фокусування в ультразвукових діагностичних системах

В сучасній ультразвуковій діагностичній апаратурі використовуються датчики Д (S) трьох типів: механічні секторні, електронні секторні та лінійні, які залежно від технології виготовлення і технічних характеристик забезпечують практично всю гаму УЗ функціональних досліджень.

Механічне секторне сканування MCC (MSS) забезпечує перевагу малої площини контакту з тілом пацієнта у поєднанні з широким оглядовим полем у дальній зоні, тому ідеально відповідає тим варіантам застосування апаратури, де є обмежений доступ до досліджуваної частини тіла.

Застосовується для формування УЗ-зображень голови новонародженого, серця, кісткового сканування та гінекологічних досліджень.

Схема механічного секторного сканера наведена на рис.6

Рис.6 - Схема механічного секторного сканера

 

У ротаційних сканерів кілька окремих ультразвукових випромінювачів обертаються навколо загальної осі, а у коливальних сканерів один ультразвуковий випромінювач здійснює коливальні рухи відносно свого нульового положення.

Оскільки механічні секторні сканери працюють з одним або декількома УЗ випромінювачами, то вони забезпечують таку ж високу роздільну здатність, як і комбіновані сканери.

Одним із небагатьох їх недоліків є обмежена ширина зображення в ближньому полі УЗ випромінювача.

Електронне секторне сканування ЕСС (ESS).

Аналогічно до механічних сканерів в медичній практиці застосовуються і електронні секторні сканери, схема одного із них наведена на рис.7.

Рис.7 - Схема електронного секторного сканера

 

Лінії розходження зображення формуються завдяки збудженню окремих елементів (об'єднаних в лінійну детекторну схему). При цьому для кожної лінії зображення ця затримка протягом часу постійно змінюється. На практиці сканери такого типу називаються випукло- секторними сканерами і забезпечують високу якість зображення, широке оглядове поле в дальній зоні, зберігаючи при цьому добре оглядове поле у ближній зоні. Ще однією перевагою таких сканерів є те, що вони забезпечують значно вищий рівень завадо- та артефактостійкості порівняно із звичайними фазованими матрицями.

Слід відзначати, що секторне сканування порівняно із лінійним перевершує його, тому що забезпечує вищу якість зображення і дозволяє дивитись більші розміри розрізів.

Лінійне сканування (ЛС).

При лінійному скануванні 64 або більше елементарних УЗ перетворювачів розміщені в ряд один біля одного. Замість механічного або електронного сканування тут використовується підключення поряд розміщених перетворювачів в певний час (із зсувом по фазі) за допомогою електронного керування.

Завдяки тому, що декілька елементів об'єднані в одну групу, досягається висока роздільна здатність в боковому напрямку, що забезпечує високу якість зображення. З кожним імпульсом група перетворювачів переключається на один елемент далі, що означає зсув наступної лінії зображення на один елемент (рис.8).

Рис.8 - Схема лінійного сканування

 

В схемі із 64 елементами формується УЗ зображення приблизно із 120 ліній. Основним недоліком лінійного сканера є необхідність в значно більшім поверхні контакту датчика із тілом і гірша роздільна здатність, ніж у секторних сканерах.

В 1977 році японська фірма AJ10KA вперше в світі випустила прилад із динамічним фокусуванням ДФ (DF) власної розробки SSD-200B.

З того часу динамічне фокусування отримало широке розповсюдження в мультикристалічних сканерах. Єдиний суттєвий недолік, який має динамічне фокусування, полягає в тому, що із збільшенням кількості фокальних точок зменшується частота кадрів так, що для отримання одного зображення необхідно декілька разів здійснювати сканування, встановлюючи для кожного іншу фокусну відстань.

Рис.9 - УЗД апарат ШНОЛАЙН-CF (СІМЕНС) 72

 

На практиці це призвело до того, що для збереження прийнятого рівня частоти кадрів доводилось обмежувати кількість можливих фокальних точок, як правило кількістю 4 або менше.

В сучасних сканерах використовується модифіковане повнодіапазонне динамічне фокусування, яке не здійснює негативного впливу на частоту кадрів. Остання залишається незмінною незалежно від кількості фокальних точок. Фокусування в цьому випадку здійснюється за допомогою керуючих комп'ютером багатофокусних ланцюгів. Ультразвуковий промінь, який формується в реальному часі, дуже тонкий і нагадує шовкову нитку.

Одним із різновидів динамічного фокусування є електронне фокусування ЕФ (EF), яке покладено в основу побудови багатошарових датчиків надвисокої щільності. В цьому випадку використовуються полікристалічні структури, які дозволяють простим шляхом змінювати фокусну відстань і забезпечують динамічне фокусування в реальному масштабі часу.

До недоліків такого виду фокусування слід віднести те, що передня частина променя відрізняється від ідеальної, оскільки має форму, яка нагадує квадрат.

Для виправлення цього недоліку використовуються менші за розміром кристали (половинного розміру), кількість яких значно збільшена. Це дозволяє сформувати ввігнуту поверхню і зменшити спотворення зображень, що в свою чергу, допомагає здійснити повнодіапазонне динамічне фокусування більш ефективно.

 

                     

Сканування фазованою           Сканування випуклою         Механічне сканування

матрицею                                 стуктурою                                             .

 

Рис.10 - Багатошарові датчики надвисокої щільності

 

На рис.10 наведені три типи секторного сканування, кожний із яких має свої переваги в певних варіантах застосування. До них відносяться: сканування за допомогою фазованої матриці, сканування за допомогою випуклої структури і механічне сканування.

 

Перевага фазованої матриці полягає в тому, що вона має максимальну контактну поверхню стискання із тілом пацієнта забезпечує можливість фокусування на різні глибини, що ідеально підходить для датчиків, призначених для сканування серця.

Недоліком такого датчика є те, що відбитий зворотний сигнал не завжди надходить на датчик під кутом 90°, тому деякі відбиті зворотні сигнали, а з ними і відповідна діагностична інформація, втрачаються.

Цього недоліку позбавлені механічні секторні датчики та випукло - секторні датчики, оскільки напрямок випромінюючого і зворотного променів завжди проходить під кутом 90° відносно поверхні датчика. За рахунок цього досягається більш висока якість зображення, ніж при використанні фазової матриці (особливо на краях зображення). Однак для механічного секторного сканування неможливо побудувати датчик з високою щільністю кристалів, внаслідок чого зображення має тенденцію до спотворень, а сам датчик не може бути використаний для повнодіапазонного динамічного фокусування в реальному часі.

До недавнього часу необхідно було замінювати датчик при переході від сканування ближньої зони високочастотним датчиком до сканування дальньої зони низькочастотним, що призводило до суттєвих незручностей при проведенні УЗ досліджень (УЗД). Для вирішення цієї проблеми була розроблена система динамічного частотного сканування. Вона забезпечує сканування близької зони сигналом високої частоти, необхідної для високої роздільної здатності, і дальньої зони сигналом низької частоти для значної глибини при роботі з одним і тим же первинним перетворювачем. Динамічне частотне сканування досягається за рахунок мультичастотної і одночастотної передачі, використаної у поєднанні з фільтрацією на змінній смузі пропускання вхідного сигналу, що веде до зміни певної приймальної частоти відповідно до глибини частини тіла, яка досліджується.

Динамічне частотне сканування збільшує роздільну здатність в ближній зоні і глибину проникнення в дальній, порівняно з одночастотними традиційними датчиками.

В типових випадках формування зображень відбувається в частотних діапазонах від 2,5 МГц до 6 МГц або від 5 МГц до 10 МГц.

Електронне фокусування із застосуванням полікристалічних датчиків широко відоме. Воно зручне, оскільки дозволяє простим шляхом змінювати фокусну відстань та забезпечує динамічне фокусування в реальному масштабі часу. Однак існують певні недоліки, пов'язані з тим, що передня частина променя відмінна від ідеальної, оскільки має форму, яка нагадує квадрат замість бездоганної ввігнутої форми, що викликає певні викривлення зображення.

За рахунок використання менших за розміром кристалів (половинного розміру) та їх більшої кількості пристрій SSD-650 забезпечує можливість формування ввігнутої поверхні та зниження викривлень, що, в свою чергу, допомагає здійснити повнодіапазонне динамічне фокусування в реальному масштабі часу ще більш ефективно.

З таких причин фірма "АЛОКА" обрала саме випуклий зонд як стандартний секторний датчик для пристрою SSD-650.

На рис.11 наведена структурна схема типового ультразвукового діагностичного пристрою, який використовує будь-який із трьох типів датчиків.

Рис.11 - Структурна схема типового ультразвукового діагностичного пристрою

 

Датчики для ультразвукової діагностики

Ультразвукові датчики (sensors), які використовуються в ехокардіографії розділяються на три основні групи: транскутанні, внутрішньонорожнннні та інтраоперацінні.

Транскутанні датчики, які призначені для сканування об'єктів в режимі реального часу, бувають двох видів - механічні й електронні. Механічні датчики підрозділяються на ротаційні - випромінювальна пластина змонтована на обертовому валу; хитні - одноелементний датчик, скануючий по сектору під дією механічної чи магнітної сили; стаціонарні - сканування забезпечується рухливим дзеркалом, закріпленим напроти нерухомого датчика. Системи електронного сканування підрозділяються на фазовані секторні, лінійні і комбіновані. Механічні стаціонарні й електронні лінійні системи не знайшли широкого застосування в ехокардіографії.

В даний час вартість електронних секторних датчиків з фазованою граткою вища за вартість механічних датчиків. Електронна схема механічного датчика значно простіша, а основу обертової частини складає мініатюрний мотор. Відмінністю фазованих датчиків є досить складна електронна схема керування, а сама випромінювальна частина являє собою твердотільний блок. Площа, необхідна для контакту механічному датчику, трохи більша, ніж для електронного датчика. Розміри механічного ротаційного датчика більші, ніж розміри хитного датчика і обмежуються розмірами мотора і обертального вала. При досить досконалій технології розміри електронного датчика можуть бути менші за розміри механічного датчика.

Рис.12- УЗД апарат СОНОЛАЙН-АЦ (Сименс)

 

Визначальними параметрами при оцінці якості зображень, отриманих на механічних і електронних датчиках є аксіальна і азимутальна пропускні здатності, динамічний діапазон, просторове квантування та ін. Аксіальна пропускна здатність і динамічний діапазон практично не залежать від типу сканування. В механічних сканерах використовуються кільцеві випромінюючі елементи, що дозволяє одержати результуючий профіль ультразвукового променя симетричним відносно осі обертання, при цьому відношення головної пелюстки до бічних визначається функцією Бесселя. Фокусування променя досягається застосуванням лінз з фіксованим фокусом чи ввігнутою поверхнею елемента. Конструкція ротаційного датчика дозволяє використовувати одночасно кілька випромінювачів з різними фокусними відстанями, в результаті чого може бути створена система з зонним фокусуванням. Загальним для всіх механічних систем є сталість пропускної здатності і чутливості для різних кутів сканування. Профіль ультразвукового променя в електронних секторних сканерах є несиметричним, а кутова пропускна здатність контролюється електронними елементами, розміщеними у певній послідовності в матриці. Час для формування нового електронного променя складає кілька мікросекунд, що дозволяє досягти високих значень частоти кадрів сканування і щільності рядків, які обмежуються тільки швидкістю поширення ультразвуку в середовищі. В електронних системах пропускна здатність і чутливість змінюються залежно від кута і при максимальних кутах відхилення досягають найгіршого значення.

Одним з недоліків конструкції механічних датчиків є ревербераційні ефекти, які виникають в узгоджу вальній рідині. В електронних системах джерелами таких перешкод є узгоджувальна лінза і демпфувальннй шар. При відповідному підборі параметрів цих середовищ артефакти можуть бути зведені до мінімуму. Механічні сканери не мають обмежень за частотою ультразвуку, що використовується, у той же час для електронного сканування виготовлення датчиків на частоті більше 5 МГц пов'язано з деякими технологічними труднощами, викликаними гранично малими розмірами окремих елементів матриці.

Перевагою систем електронного сканування є більш широкі можливості для одержання одночасно з двовимірною інформацією даних в Л/-режимі сканування за обраним рядком і донплерівської інформації. Відзначається ряд експлуатаційних обмежень механічних систем, в яких згодом необхідно виконувати дегазацію узгоджу вальної рідини і замінювати деталі двигуна.

Результатом порівняльного аналізу є висновок про деяку перевагу систем механічного сканування порівняно з електронними фазованими матрицями ФМ (FA), передусім за параметрами ціни, технологічності виготовлення, якості зображення.

При оптимізації конструкції ультразвукових перетворювачів найчастіше використовують так звану KLM-модель, яка полягає у виборі характеристик для оптимізації і визначенні їх відносної ваги в оптимізаційному критерії. Стратегія оптимізації базується на евристичному методі, що складається в систематичній зміні конструктивних параметрів датчика з подальшим розрахунком експлуатаційних параметрів, обраних як функціональний критерій. Ці параметри підбираються з урахуванням зручності автоматичної оптимізації на ЕОМ, тобто їхні функції повинні бути неперервні при зміні вхідних параметрів. З урахуванням даної обставини експлуатаційні характеристик")і розбиті на дві групи: традиційні, що використовуються при звичайному аналізі, і нетрадиційні, введені спеціально для автоматичного аналізу. У першу групу ввійшли такі: фракційна смуга частот, втрати енергії при подвійному проходженні відстані до об'єкта, тривалість обвідної ехо-сигналу на рівні - 20 дБ, центральна частота, що відповідає максимуму потужності, динамічний діапазон. Основними параметрами в другій групі є: центроїдна частота амплітудного спектру ехо-сигналу, енергетичний коефіцієнт подвійного переходу, визначений на всьому спектрі ехо-сигналу.

Як вхідні параметри оптимізації використовуються: акустичний опір демпфувального матеріалу, товщина PZT кераміки, опір і товщина внутрішнього чвертьхвильового узгоджувального шару.

Коефіцієнти маси при оптимізації повинні підбиратися з урахуванням відповідної області застосування ультразвукового датчика - наприклад неруйнуючий контроль, медична візуалізація, ехографічне дослідження тканин. При використанні ультразвукових датчиків у медичній діагностиці основною задачею є одержання двовимірних напівтонових зображень. Для одержання високоякісних зображень анатомічних структур потрібні висока пропускна здатність, великий динамічний діапазон і висока чутливість. Осьова пропускна здатність визначається тривалістю зондувального акустичного імпульсу, тобто амплітудним і фазовим спектром сигналу. Враховуючи можливі обмеження при визначенні міри лінійності фазового спектра, функціональний критерій, як правило, визначають у тимчасовій області. Центроїдна частота при даному дослідженні підтримувалася в досить обмежених межах (7,0±0,5 МГц).

Для ультразвукової характеризації тканин потрібні відмінні від попереднього випадку умови: широкосмуговий перетворювач, висока чутливість, менш жорсткі вимоги до тривалості імпульсу. З урахуванням цього фазовий спектр і динамічний діапазон менш важливі при виконанні оптимізаційної процедури. Як експлуатаційні характеристики вибираються - мінімальна смуга частот, що охоплює 99,76% площі спектра імпульсу, енергетичний коефіцієнт подвійного переходу, мінімальна тривалість часової обвідної, фракційна смуга частот.

 

Застосування в медицині

Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині

Крім широкого використання в діагностичних цілях, ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб. Ультразвук спричиняє протизапальну, розсмоктуючу, аналгетичну, спазмолітичну дії,та кавітаційне посилення проникності шкіри.

Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканини діють ультразвуком і вводяться з його допомогою лікувальні речовини (як медикаменти, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу і шкірних залоз, клітинних мембран та стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо - іонів мінералів бішофіту.

Комфортність ультрафонофорезу медикаментів та природних речовин:

·        лікувальна речовина при введенні ультразвуком не руйнується

·        синергізм дії ультразвуку та лікувальної речовини

Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, п'яткова шпора, стани після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.

Наноситься бішофіт-гель і робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофореза (при ОФФ суглобів, хребта інтенсивність в області шийного відділу - 0,2-0,4 Вт/см2., В області грудного і поперекового відділу - 0,4-0,6 Вт/см2).

 

Ехоенцефалографія. Застосування ультразвуку для діагнозу при серйозних пошкодженнях голови дозволяє хірургові визначити місця крововиливів. При використанні переносного зонда можна встановити положення серединної лінії головного мозку приблизно протягом однієї хвилини. Принцип роботи такого зонда ґрунтується на реєстрації ультразвукового луни від кордону розділу півкуль.

 

Ультразвукові зонди застосовуються також у офтальмології для вимірювання розмірів очей і визначення положення кришталика. Ультразвукове дослідження грає важливу роль і в постановці діагнозу захворювань внутрішніх органів, таких як:

·        черевна порожнина і заочеревний простір

·        печінка

·        жовчний міхур і жовчні протоки

·        підшлункова залоза

·        селезінка

·        нирки

·        органи малого тазу

·        сечоводи

·        сечовий міхур

·        передміхурова залоза

 

Печінка

Ультразвукове дослідження печінки є досить високоінформативним. Лікарем оцінюються розміри печінки, її структура і однорідність, наявність вогнищевих змін а також стан кровотоку. УЗД дозволяє з досить високою чутливістю і специфічністю виявити як дифузні зміни печінки (жировий гепатоз, хронічний гепатит і цироз), так і вогнищеві (рідинні та пухлинні утворення). Обов'язково слід додати що будь-які ультразвукові укладення дослідження як печінки, так і інших органів, необхідно оцінювати тільки разом з клінічними, анамнестичними даними, а також даними додаткових обстежень.

Жовчний міхур і жовчні протоки

Крім самої печінки оцінюється стан жовчного міхура та жовчних проток – досліджуються їх розміри, товщина стінок, прохідність, наявність конкрементів, стан навколишніх тканин. УЗД дозволяє в більшості випадків визначити наявність конкрементів в порожнині жовчного міхура.

Підшлункова залоза

При дослідженні підшлункової залози оцінюються її розміри, форма, контури, однорідність паренхіми, наявність утворень. Якісне УЗД підшлункової залози часто досить важко, так як вона може частково або повністю перекриватися газами перебувають в шлунку, тонкому і товстому кишечнику. Найбільш часто виноситься лікарями ультразвукової діагностики висновок "дифузні зміни в підшлунковій залозі" може відображати як вікові зміни (склеротичні, жирова інфільтрація), так і можливі зміни внаслідок хронічних запальних процесів.

 

Нирки і надрирники. Зачеревний простір

Дослідження заочеревного простору, нирок і надниркових залоз є досить важким для лікаря через особливості їх розташування, складності будови і багатогранності і неоднозначності трактування ультразвукової картини цих органів. При дослідженні нирок оцінюється їх кількість, розташування, розмір, форма, контури, структура паренхіми і чашково-мискової системи. УЗД дозволяє виявити аномалії нирок, наявність конкрементів, рідинних і пухлинних утворень, також зміни внаслідок хронічних і гострих патологічних процесів нирок.

Щитовидна залоза

У дослідженні щитовидної залози ультразвукове дослідження є провідним і дозволяє визначити наявність вузлів, кіст, зміни розміру та структури залози.

 

У силу фізичних особливостей не всі органи можна достовірно досліджувати ультразвуковим методом, наприклад, порожні органи шлунково-кишкового тракту важкодоступні для дослідження через вміст в них газу. Тим не менш, ультразвукова діагностика може застосовуватися для визначення ознак кишкової непрохідності та непрямих ознак спайкового процесу. За допомогою ультразвукового дослідження можна виявити наявність вільної рідини в черевній порожнині, якщо її досить багато, що може грати вирішальну роль в лікувальній тактиці ряду терапевтичних та хірургічних захворювань і травм.

 

Кардіологія, судинна і кардіохірургія

Ехокардіографія (ЕхоКГ) - це ультразвукова діагностика захворювань серця. У цьому дослідженні оцінюються розміри серця і його окремих структур (шлуночки, передсердя, міжшлуночкової перегородки, товщина міокарда шлуночків, передсердь і т. д.), наявність та обсяг рідини в перикарді - "серцевої сорочці", стан клапанів серця. За допомогою спеціальних розрахунків і вимірювань Ехокардіографія дозволяє визначити масу серця, скорочувальну здатність серця - фракцію викиду і т. д. Існують зонди, які допомагають під час операцій на серці стежити за роботою мітрального клапана, розташованого між шлуночком і передсердям.

 

Акушерство, гінекологія і перинатальна діагностика

Ультразвукове дослідження використовується для вивчення внутрішніх статевих органів жінки, стану вагітної матки, анатомії та моніторингу внутрішньоутробного розвитку плода.

   

Плід в утробі матері.                                 Тривимірне ультразвукове

дослідження 29-ти тижневого плоду.

 

Цей ефект широко застосовується в акушерстві, оскільки звуки, що йдуть від матки, легко реєструються. На ранній стадії вагітності звук проходить через сечовий міхур. Коли матка наповнюється рідиною, вона сама починає проводити звук. Положення плаценти визначається за звуками протікає через неї крові, а через 9 - 10 тижнів з моменту утворення плоду прослуховується биття його серця. За допомогою ультразвукового дослідження можна також визначати кількість зародків або констатувати смерть плоду.

 

УЗ – дослідження застосовують для діагностики захворювань, визначення перебігу вагітності, спостереження за динамікою процесу та оцінки результатів лікування. Завдяки своїй безпечності УЗД стало дуже поширеним; воно дозволяє отримати важливу інформацію про стан різних органів й систем – печінки, підшлункової залози, селезінки, нирок, щитоподібної залози, статевих органів тощо. При дослідженні серцево-судинної системи отримують інформацію про особливості будови серця та динаміку скорочень, про вроджені й набуті патології, ураження міокарда, ішемічну хворобу та інші супутні захворювання. УЗД застосовується для оцінки та контролю дії лікувальних препаратів, для вивчення коронарного кровообігу, та є таким же надійним методом, як електрокардіографія, та рентгенологічне дослідження серця.

   І    ІІ

  ІІІ   IV

Рис. 1.28. Ультразвукове дослідження:  І. Аденома при щитоподібної залози;

ІІ. Чотиристулковий клапан; ІІІ. УЗД черевної порожнини; дивертикула дванадцятипалої кишки (1), термінального відділу холедоха (2). IV. Тазова порожнина, ехограма в менопаузі.