Отраженные волны ультразвука. Генерация и детекция ультразвука
Отраженные или рассеянные волны ультразвука применяют в различной медицинской диагностической аппаратуре. Наиболее сильное отражение происходит в месте расположения тканей с резко отличающимися механическими или эластичными свойствами. Это может быть на границе между мягкими тканями и костью или тканями, наполненными воздухом (например, легкими). Интенсивность волн ультразвука, отраженных от этих границ, зависит от коэффициента отражения r, который представляет собой отношение падающей и отраженной энергии.
Для плоской волны, распространяющейся в среде с акустическим импедансом p1C1 и падающей под прямым углом к плоской границе второй среды с акустическим импедансом р2С2 коэффициент отражения равен: r=p1C1-p2C2/(p1C1+p2C2)2, где р2 и p1 — плотность сред; С1 и С2 — скорость ультразвука в соответствующих средах. Поскольку величины акустического импеданса жидкостей и газов сильно различаются между собой, на границе между ними прохождение ультразвука почти отсутствует, а, следовательно, газовые «карманы» и пузырьки будут интенсивно отражать ультразвуковой луч.
Генерация и детекция ультразвука
Ультразвуковая диагностическая аппаратура состоит из передатчика, генерирующего ультразвуковую частоту, преобразователей, превращающих ультразвук в электрическую энергию и, наоборот, приемника, усиливающего слабые рассеянные волны, и дисплейного устройства для представления оператору информации. Основные характеристики этой аппаратуры определены указанным выше взаимодействием тканей с ультразвуковыми волнами.
Частота ультразвука очень высока и для ее генерации и усиления необходимо применение электронных приборов. Например, 1 МГц — это частота, которую можно обнаружить в середине радиовещательного диапазона, при этом в виде радиочастотной энергии. Более высокие частоты, вплоть до 10 МГц, имеют место в коротковолновых диапазонах, используемых военными подразделениями и различными стационарными и подвижными службами. Итак, передатчик представляет собой электронный вибратор, генерирующий электрические волны.
Преобразователь превращает их в механические колебания. Тип обычно применяемых в биомедицинской практике преобразователей взаимообратимый и может также превращать отраженные волны ультразвука в электрическую энергию. Вольтаж отраженных волн, как правило, очень мал и поэтому его необходимо усилить до уровня, улавливаемого дисплейными устройствами, Дисплейные устройства, как правило, включают в себя электроннолучевую трубку для отображения величины и формы сигнала и громкоговорители для прослушивания доплеровских звуков, различного типа анализаторы и видеомагнитофоны для воспроизведения волнообразной формы потока и движущих кривых.
Преобразователь представляет собой наиболее ответственный элемент в доплеровской системе для измерения скорости тока крови. Выбор преобразователя определен его рабочей частотой, глубиной проникновения энергии в ткани, шириной ультразвукового пучка и частотой доплеровского сдвига, наблюдаемого в кровеносных сосудах. В составном кристаллическом преобразователе, который широко используют в доплеровских измерителях скорости кровотока, разделение передающих и принимающих элементов позволяет, кроме того, локализовать область, в которой нужно измерить скорость потока.
