Физические принципы ультразвуковой диагностики
Звук - механическая волна с продольным распространением. Он имеет волновую природу, следствием данного факта является то, что ультразвук подчиняется всем тем законам, которые применимы к другим волновым процессам, например свету. Основными характеристиками ультразвуковой волны выступают длина, амплитуда, частота, период, скорость. Генерация ультразвуковых колебаний связана с пьезоэлектрическим эффектом, который возникает при подаче электрического импульса на пьезокристалл. Различают прямой и обратный пьезоэффект. Первый заключается в возникновении электрического потенциала на гранях кристалла при их смещении вследствие воздействия внешних (механических) сил. Существование прямого пьезоэффекта дает прибору возможность воспринимать отраженный эхо-сигнал, т.е. механическое ультразвуковое колебание, возникшее в результате отражения от границы раздела сред падающей волны. Обратный пьезоэффект заключается в смещении граней пьезокристалла в ответ на воздействие электрического напряжения. При подаче на грани кристалла переменного напряжения высокой частоты происходит высокочастотное последовательное его сжатие и расширение, что и является причиной создания вокруг него высокочастотного изменения давления, приводящего к возникновению направленных механических колебаний, т.е. ультразвука. Устройство, в котором происходят генерация ультразвуковых колебаний и детекция отраженного эхо-сигнала, называется ультразвуковым датчиком. В современных приборах используются электронные многоэлементные датчики.
В понимании принципов ультразвуковой диагностики ключевым моментом является эффект Допплера, который заключается в изменении частоты ультразвукового сигнала при отражении от движущихся предметов по сравнению с первоначальной частотой посланного сигнала (допплеровский сдвиг частот). Если принять, что генератор ультразвуковых волн и их детектор (датчик) неподвижны (а именно так и происходит при ультразвуковых исследованиях), то частота отраженной движущимся объектом ультразвуковой волны увеличивается при приближении отражателя к датчику и уменьшается при отдалении от него. Допплеровский сдвиг частот (Δ/) зависит от скорости движения (v) отражателя (элементов крови, прежде всего эритроцитов), угла между вектором скорости отражателя и вектором ультразвукового луча (а), скорости распространения звука в среде (с) и первичной частоты излучения (f/0). Данная зависимость описывается доп-плеровским уравнением I: