Ультразвук и его использование в медицине сочинение пример

ООО "Сочинения-Про"

Ежедневно 8:00–20:00

Санкт-Петербург

Ленинский проспект, 140Ж

Сочинение на тему Ультразвук и его использование в медицине

Ультразвук определяется как звуковые волны с частотой от 20 кГц до 1 ГГц, выше которой находится гиперзвуковой режим. (A) Ультразвуковые волны находятся выше слышимого диапазона слуха, а их высокие частоты и относительно короткие длины волн придают им ряд свойств, полезных как в природе, так и в повседневной жизни. Ультразвуковая технология сильно повлияла на технологии, что дает нам множество применений.
<Р> Акустика

Ультразвуковые волны являются механическими и, как и все звуковые волны, нуждаются в среде для распространения. Поскольку они продольные, смещения волн параллельны направлению движения.

Ультразвук в природе

Многие животные способны к ультразвуковой связи, в том числе некоторые млекопитающие и птицы. Эта сенсорная функция используется не только для общения, но и для навигации и многих методов выживания, таких как обнаружение добычи. Важность ультразвука для животного зависит от таких факторов, как «затухание, рассеяние» и «слышимый шум». (A) Однако этот механизм обнаружения часто используется только в тех случаях, когда обычные механизмы менее эффективны, например, когда слышен фоновый шум. (А)

<Р> Обнаружение

Существуют различные методы обнаружения ультразвуковых волн:

Ультразвуковые волны с длиной волны всего несколько миллиметров могут быть обнаружены с помощью метода трубки Кундта. Длинная стеклянная трубка, заполненная порошком ликоподия, подвешена горизонтально; Когда ультразвуковые волны проходят через суперпозицию, падающие и отраженные волны вызывают стационарную волну. В узлах образуются кучи порошка, позволяющие рассчитать длину волны ультразвуковой волны. (J) (K)

Ультразвуковые волны также могут быть обнаружены с помощью тепловых детекторов. Если детекторы из платиновой проволоки расположены в области ультразвуковых волн, проволока быстро вибрирует. Стационарные волны образуются, а эффект охлаждения и нагрева возникает в результате альтернативного изменения давления в узлах волны. Сопротивление изменяется соответственно, и ультразвуковая волна может быть обнаружена. (J), (К)

Пламя также используется в качестве метода обнаружения. Если узкое пламя движется вдоль среды, в которой ультразвуковая волна движется в узлах волны, пламя мерцает. Определение расстояния между узлами позволяет рассчитать длину волны, частоту и скорость ультразвуковой волны в среде. (J)

Существуют и другие способы обнаружения ультразвуковых волн, некоторые из которых более уместны, чем другие, в зависимости от ситуации. Один из наиболее распространенных методов обнаружения в медицине использует принципы пьезоэлектрического эффекта, который также используется для искусственного создания ультразвуковых волн.

Ультразвук в медицине

Ультразвук предоставил много полезных применений в медицине, которые помогают в диагностике и лечении различных состояний. Это позволило разработать «доступные и эффективные инструменты визуализации», которые, в отличие от некоторых методов диагностики, являются безопасными и неинвазивными. Исследования продолжают искать другие способы использования ультразвука клиницистами для дальнейшего улучшения здоровья пациентов. (F) Пьезоэлектрический эффект является неотъемлемой частью многих применений ультразвука в медицине:

Пьезоэлектрический эффект

Датчики содержат пьезоэлектрические материалы, которые позволяют создавать и обнаруживать ультразвуковые волны. Пьезоэлектрический эффект объясняет, почему это возможно.

Многие простые преобразователи состоят из пьезоэлектрической керамики, соединенной с электродами, часто состоящей из тонкой металлической пленки, такой как серебро, которая затем соединяется с электрическими проводами. Используется керамика различной формы, чаще всего квадратная и круглая. Двумя основными классификациями преобразователей являются узкополосные и широкополосные. Узкополосные преобразователи часто используются для приложений высокой интенсивности, где используются низкие частоты 20-100 кГц; в то время как широкополосные преобразователи обычно используются для неразрушающего контроля и формирования изображений с типичными частотами 0,5-50 МГц. (Д)

Пьезоэлектрический материал внутри преобразователя обладает способностью генерировать электрический заряд при приложении механического напряжения; а также механически деформироваться под воздействием электрического поля. Пьезоэлектричество было впервые обнаружено в 1880-х годах, когда было обнаружено, что кристалл кварца обладает этим свойством, позволяя «преобразователю передавать ультразвук и, наоборот, генерировать электрические сигналы из полученных ультразвуковых волн». (B) Приложение электрического поля к пьезоэлектрику Материал вызывает изменение формы диполей материала, что вызывает небольшое изменение размеров материала, при этом возникают ультразвуковые волны. Обратное действие этого эффекта позволяет обнаруживать волны; когда ультразвуковые волны достигают преобразователя, они прикладывают механическое напряжение к пьезоэлектрическому материалу и, таким образом, «молекулярные дипольные моменты переориентируются и, таким образом, вызывают изменение плотности поверхностного заряда и, следовательно, напряжения». (X) Этот эффект показан на рисунке 2

Кварц является примером пьезоэлектрического монокристалла. Другие примеры пьезоэлектрических материалов, более широко используемых сегодня, включают титанат цирконата свинца, титанат свинца и метаниобат свинца (все эти материалы представляют собой пьезокерамику). Пьезоэлектрические керамики широко используются из-за их высокой способности к соединению и низких диэлектрических потерь (V), по сравнению с монокристаллами они имеют более высокие пьезоэлектрические характеристики. (W) Свойства пьезоэлектрических материалов различаются, поэтому используются разные материалы в зависимости от предполагаемого применения преобразователя.

При принятии решения о том, какой пьезоэлектрический материал использовать, необходимо учитывать множество параметров, наиболее важными из которых являются: электромеханическая константа связи (keff), диэлектрическая проницаемость (er) и акустический импеданс (Z). Все эти факторы «определяют ультразвуковые преобразователи». (R) (R) (D) (S)

Константу электромеханической связи можно определить как «квадратный корень из отношения энергии, имеющейся в электрической (механической) форме при идеальных условиях, к общей энергии, накопленной от механического (электрического) источника». Это можно рассчитать с помощью уравнение 3:

Где fs – частота максимальной проводимости, а FP – частота максимального преобразователя. (S) Эффективность излучателей и чувствительность приемников зависят от этого «таким образом, что всегда желателен высокий коэффициент k». (D)

Диэлектрическая проницаемость – это способность материала накапливать заряд. (Т)

«Нормальный акустический импеданс поглощающего материала – это сложное отношение звукового давления на поверхности материала к результирующему объемному току, пересекающему поверхность в нормальном направлении». (E) Для визуализации акустического импеданса Z представляет собой важное физическое свойство ткани, которое зависит от плотности ткани r и скорости волны в среде c, как показано уравнением 4:

Это особенно важный фактор, который следует учитывать, когда волна переходит от одного типа ткани к другому. Акустический импеданс различных материалов влияет на то, сколько передается между ними и сколько отражается обратно. Если разница в акустическом импедансе между тканями велика, то отражение высокое.

Когда волны падают на границе между двумя средами с акустическим импедансом Z1 и Z2, отношение отраженной интенсивности Ir и интенсивности падения Ii определяется уравнением 5 (M):

Пьезоэлектрическая керамика на основе свинца

Пьезоэлектрическая керамика на основе свинца широко использовалась в течение многих десятилетий благодаря «замечательным свойствам и относительно низкой стоимости обработки». (A1) Однако в последнее время стало очевидно, что они представляют собой «серьезные экологические проблемы, связанные с производством, использование и утилизация, ‘(X) из них. Поэтому разработка бессвинцовой керамики с аналогичными свойствами стала необходимой. В 2007 году была опубликована статья, посвященная исследованиям в области разработки бессвинцовой пьезоэлектрической керамики. Результаты которого приведены на рисунках 3 и 4:

Из рисунков 3 и 4 видно, что диэлектрическая проницаемость и пьезоэлектрические коэффициенты бессвинцовых материалов меньше, чем у материалов PZTs. Было также обнаружено, что для материалов на основе свинца коэффициент электромеханической связи был на 50% выше, а «высокая фиксированная диэлектрическая проницаемость для согласования электрического сопротивления небольших элементов в высокочастотных матрицах» была почти в три раза больше, чем у материалов без свинца. (B1) Из этих результатов ясно, что нынешняя бессвинцовая пьезоэлектрическая керамика не столь эффективна и что необходимы дальнейшие исследования.

Ультразвуковая визуализация

Одним из наиболее широко используемых применений ультразвука в медицине является ультразвуковая визуализация, которая может помочь в диагностике. Ультразвуковое сканирование, сонограммы, используются по многим причинам, включая мониторинг развивающегося плода, изучение органов брюшной полости и таза, чтобы диагностировать состояние и направлять хирургов во время некоторых хирургических процедур. Ультразвуковые изображения являются «визуальным представлением взаимодействия звуковых волн со средой распространения волн». (F). Преобразователи используются для передачи акустических импульсов; падающие волны проникают в ткань, и когда они достигают границы между различными типами тканей, часть энергии отражается обратно и принимается преобразователем, который затем преобразует изображение в сигналы, которые усиливаются и обрабатываются в изображение. Существует несколько режимов ультразвукового сканирования, которые имеют различное использование:

Дисплей в амплитудном режиме (A-режим): один преобразователь фиксируется и отправляет сигналы вдоль одномерной линии, а эхо-сигналы могут отображаться в зависимости от глубины.

Отображение в режиме яркости (B-режим): линейный массив преобразователей перемещается для сканирования плоскости через тело, позволяя получить двумерное изображение.

Режим движения по времени (T.M.-mode / C-mode): быстрое отображение последовательных изображений в B-режиме позволяет видеть движение внутренних органов. Это связано с тем, что отражения, создаваемые границами органа, движутся относительно зонда. (C1D1)

Существует большое различие в акустическом сопротивлении воздуха и кожи, поэтому передача ультразвуковых волн в ткани тела низкая. Для успешной визуализации «жидкие связующие агенты должны эффективно передавать ультразвуковые волны от поверхности датчика к тканям». (G)

Поскольку ультразвуковая визуализация требует контакта между датчиком и кожей пациента. Поскольку кожа имеет некоторое сопротивление, она может быть раздражена током, генерируемым электродами. Следовательно, на электродах требуется покрытие, особенно если гальваническое действие предназначено для более глубоких тканей, (J1), чтобы уменьшить это раздражение. Это делает визуализацию более комфортной для пациента и позволяет датчику оставаться в контакте с кожей в течение более длительного периода времени, что позволяет получать наилучшие возможные изображения. (J1)

Улучшенная визуализация

Исследователи постоянно пытаются найти способы улучшения качества изображений, полученных с помощью ультразвукового сканирования. Улучшения качества изображения позволяют увидеть больше деталей и повысить точность диагностики.

Одним из способов улучшения качества изображений является разработка контрастных агентов с микропузырьками, жидкостей, содержащих микропузырьки газа. Эти агенты вводятся в кровоток с целью улучшения ультразвуковых изображений. Агенты являются «отражателями интенсивной звуковой волны из-за акустических различий между жидкими и газовыми микропузырьками» (U), и поэтому это развитие позволяет отличить кровоток от окружающей ткани.

Когда ультразвуковая волна распространяется через микропузырьки, она вызывает колебания, создавая волны с гармоническим содержанием. Содержание гармоник может быть увеличено путем увеличения амплитуды ультразвуковой волны или путем достижения частот, близких к частоте гармоники микропузырька. (Р)

Несмотря на то, что они являются сильными рассеивателями на основной частоте, трудно отделить энергию от микропузырьков с энергией от окружающих тканей. (F) Предсказано, что интенсивность обратного рассеяния ультразвука может быть увеличена с размером микропузырька. Интенсивность обратного рассеяния ультразвука () определяется уравнением 6 (G1):

Где I0 – интенсивность падения, z – расстояние между преобразователем и рассеивающим микропузырьком, а s – площадь поперечного сечения рассеяния микропузырька. (G1),

Обнаружение контрастных веществ в значительной степени зависит от диаметра микропузырьков и, следовательно, от факторов, влияющих на диаметр, таких как резонансная частота. (F1),

Ультразвуковая визуализация сдвиговых волн

Другое, более недавнее улучшение качества изображения – это использование поперечных волн. Традиционно ультразвуковая визуализация использует продольные волны. Однако в некоторых случаях, например при визуализации мозга, в котором ультразвуковые волны требуются для проникновения в череп, разрешение изображений резко снижается. Это уменьшение разрешения пострадает гораздо меньше при использовании поперечных волн.

Сдвиговые волны представляют собой тип упругих волн, и их «свойства распространения, включая скорость волны и коэффициент затухания, являются не только необходимой информацией при характеристике материалов и неразрушающем оценивании, но также чрезвычайно чувствительны к патологическим состояниям тканей». (H) Традиционный преобразователи не могут эффективно создавать поперечные волны. Однако в статье 2017 года говорится, что «исследователи продемонстрировали простой способ их производства». (I)

Одна из попыток преобразования продольных волн в поперечные волны включает пропускание волн через клинообразный фильтр, изготовленный из метаматериала. Структура используемого метаматериала разработана так, чтобы иметь повторяющуюся структуру рассеивающих звук колонок; Тем не менее, направление результирующих поперечных волн …

Поделиться сочинением
Ещё сочинения
Нет времени делать работу? Закажите!

Отправляя форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой ваших персональных данных.