Отметим, что в области комбинированного сканирования точки

Федеральное агентство по образованию
Томский политехнический университет
И.О. Болотина
А.И. Солдатов
С.А. Цехановский
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
«ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ»
Томск-2009
УДК 619.615.83
ББК 22.32
А40
И.О.Болотина, А.И. Солдатов, С.А.Цехановский
Лабораторный практикум «Применение ультразвука в
медицине». – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 120 с.
В методических указаниях приведено описание семи лабораторных работ,
охватывающих вопросы применения ультразвуковых методов в диагностике, хирургии и
терапии.
Содержание методических указаний соответствует курсу лабораторных работ,
который авторы обеспечивают в Томском политехническом университете на кафедре
«Промышленной и медицинской электроники» и предназначено для студентов высших
технических учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
дипломированных специалистов «Биомедицинская инженерия»
УДК 619.615.83
Рекомендовано к печати редакционно-издательским отделом
Томского политехнического университета
Рецензенты:
Доцент кафедры промышленной и медицинской электроники ТПУ,к.т.н.
Глотов А.Ф.
Генеральный директор ОАО «Медтехника», Томск, к.т.н.
Уманский О.С.
Доцент каф. промышленной электроники ТУСУР, к.т.н.
Шарапов А.В
(12 pt)
ISBN
© Томский политехнический университет, 2009
© Оформление. Издательство ТПУ, 2009
2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
РАСХОДОМЕРОВ И ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ
1. Цель работы
Ознакомление студентов с ультразвуковыми методами измерения
расхода газа и концентрации двухкомпонентных газовых смесей.
2. Краткие теоретические сведения
Эволюция развития методов и средств обезболивания в истории
хирургии свидетельствует о неуклонном стремлении ученых найти
«идеальный» анестетик и разработать наиболее «оптимальные» методы
анестезии. Ушли в прошлое многие известные ингаляционные и
неингаляционные анестетики, каждый из которых играл определенную
роль в развитии хирургии различных областей, но были несовершенны,
токсичны, и потенциально опасны. В этой связи продолжается поиск и
синтез новых наиболее безопасных анестетиков. Не случайно, особенно
в последние годы, анестезиологическая общественность мира, обратила
внимание на наркотические свойства инертного газа – ксенона, как
экологически чистого и более сильного анестетика, чем закись азота.
Ксенон, как и все инертные газы не имеет ни запаха, ни цвета, не горит
и не поддерживает горение, не взрывоопасен, слабо растворяется в воде
и очень быстро выделяется из организма через легкие, а также обладает
достаточной наркотической силой.
Для обеспечения надежности наркозных систем необходимо
получать информацию о концентрации и о расходе газа.
Распространение ультразвука в газах
Процесс распространения упругих механических колебаний в
газах неразрывно связано с характеристиками среды. Известно, что
уравнение распространения плоской акустической волны в среде
неограниченного объема без учета поглощения имеет вид:
a  A  sin  (t  x / c) ,
3
(1.1)
где а – мгновенное значение смещения частицы, находящейся на
расстоянии x от излучателя, который колеблется с амплитудой А; ω –
круговая частота; с – скорость распространения колебаний; t – время.
Известно также, что с изменением расстояния x в газах амплитуда
колебаний частиц уменьшается в соответствии с уравнением:
Ax  A  e x ,
(1.2)
где  – коэффициент поглощения; Аx – амплитуда колебаний на
расстоянии x от плоскости излучателя.
Поэтому выражение (1.1) может быть записано в виде:
a  A  e x  sin 2f (t  x / c) ,
(1.3)
где f – циклическая частота колебаний излучателя.
Распространение звуковой волны в среде характеризуется
изменением давления в соответствии с уравнением:
Px    A  e x    c  sin 2f (t  x / c) ,
(1.4)
где амплитуда звукового давления определяется в виде: P  A  c .
Произведение плотности ρ среды на скорость звука z    c
характеризует акустические свойства вещества и называется удельным
акустическим (волновым) сопротивлением среды.
Таким образом, скорость распространения звуковых колебаний в
газах и коэффициент поглощения являются основными величинами,
характеризующими как форму, звуковой волны – уравнение (1.3), так и
характеристику звукового поля – уравнение (1.4).
Скорость звука в газах определяется формулой:
c
RT 
,
M
(1.5)
где R = 8.314107 эрг/град – универсальная газовая постоянная; Т –
универсальная температура, К; γ = Ср/Сv – отношение удельных
теплоемкостей; Ср – удельная изобарная теплоемкость; Сv – удельная
изохорная теплоемкость.
Выражение (1.5) можно записать в виде (формула Лапласа для
скорости звука):
4
C
P

,
(1.6)
где Р – давление газа; ρ – плотность газа.
Последнее выражение получается из (1.5) при использовании
уравнения состояния, при условии M / V   . Выражение (1.6)
применимо для той температуры Т, при которой измерены Р и ρ.
Как известно P /   ( P0 / 0 )(1  t ) ; следовательно, вместо (1.5)
можно написать более общее выражение:
C
P0  (1  t )
0
.
(1.7)
Из (1.4) можно получить отношение скоростей звука в каком-либо
газе при двух различных абсолютных температурах Т1 и Т2:
CT 1
T1

.
CT 2
T2
(1.8)
Это выражение справедливо лишь для звуковых волн, длина
которых по порядку величины превышает длину свободного побега
молекулы (≈ 10-5), то есть при частотах звука, не превышающих 105 кГц.
Выражение для скорости ультразвука в смеси двух газов,
полученное на основании правила смешения, имеет вид:
C
xC  (1  x)C p1
RT
 p
,
xM  (1  x) M 1 xCv  (1  x)Cv1
(1.9)
где М – молекулярный вес 1-го газа; М1 – молекулярный вес 2-го газа;
Ср, Сv – удельная изобарная и изохорная теплоемкость 1-го газа; Ср1, Сv1
– удельная изобарная и изохорная теплоемкость 2-го газа; X –
концентрация 1-го газа, в долях.
График зависимости скорости ультразвука от концентрации
ксенона в смеси ксенон – кислород представлен на рис. 1.1.
5
350
330
скорость c, м/с
310
290
270
250
230
210
190
170
150
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Концентрация ксенона, %
Рис. 1.1. График зависимости скорости ультразвука
от концентрации ксенона
Измерение расхода акустическими методами
Расходомеры широко используются в различных областях:
измерение расхода газа в быту, измерение газовых потоков с высоким
давлением, газовая система распределения, мониторинг горючего газа
на плавучих платформах, измерение потоков очищенной и грязной
жидкости, измерение потока в реках и каналах, измерение воздушных
потоков и т.д.
Скорость ультразвука является векторной величиной, поэтому
поток газа или жидкости можно измерять с помощью ультразвуковых
волн.
Методы измерения потока газа или жидкости:
1. Метод времени пробега больше подходит для чистых
жидкостей и газов. В данном методе (рис. 1.2, a) в движущейся
жидкости/масле измеряется время пробега распространяющейся
ультразвуковой волны.
2. Метод Доплера (рис. 1.2, b) пригоден для жидкостей, в которых
присутствует вторичная фаза состояния вещества, например, сточные
воды, осадок, бумага и целлюлоза. Поток измеряется с помощью
ультразвука, рассеивающегося от частиц или воздушных пузырьков.
3. В корреляционном методе в качестве основных элементов в
жидкости выступают вторичная фаза или вихреобразования. Метод
(рис. 1.2, с) широко используется при измерении многофазных потоков
в нефтяной и газовой промышленности.
6
4. Механизм метода колебания жидкости (рис. 1.2, d) состоит в
обнаружении изменений амплитудной модуляции, которая происходит
вследствие колебаний давления в газах и колебаний скорости в
жидкостях. Величина скорости рассчитывается по частоте модуляции.
5. Метод открытого канала. Измерение потока (рис. 1.2, е)
осуществляется путем замеров высоты поверхности жидкости, когда
текучая среда проходит через открытый канал или желоб. Данный
метод обычно осуществляется при наличии свободной воздушной
среды, то есть такой, которая не создает препятствий.
Рис. 1.2. Различные виды расходомеров
Из всех вышеперечисленных методов наиболее часто
используются методы времени пробега, Доплера и открытого канала.
Расходомер, основанный на измерении времени пробега
Данный метод измерения можно проводить как в жидкостях, так и
в газах. Для измерения скорости потока используется разница во
времени пробега волны в ультразвуковом луче при его ориентации по
течению и против него (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Расходомер, основанный на измерении времени пробега
7
Определим время прохождения ультразвука по потоку и против
него, считая, что источник и приемник находятся на одной оси. Пусть С
– скорость ультразвукового потока, V – скорость потока, тогда время
пробега составляет от источника И1 до приемника П1:
T12 
L
.
C V
(1.10)
Аналогичным образом определяется время пробега от источника
И2 до приемника П2:
T21 
L
.
C V
(1.11)
Разность времени пробега составляет:
T  T21  T12 
L
L
2 L

 2
.
c  c   c  2
(1.12)
Из выражения (1.12) следует:
T
2v

.
T21T12 L
(1.13)
Из вышеперечисленных выражений видно, что разность значений
времени пробега пропорционально V, поскольку U2>>V².
C
увеличением длин пути L прохождения ультразвуковых колебаний
увеличивается время прохождения ультразвука. Из выражения (1.12)
выразим V через ΔТ:
V
L2
L
 C2 
.
2
T
T
(1.14)
Количество общего расхода Q газа определяется из выражения:
Q  V t  S ,
где t – время, S – площадь сечения.
8
3. Описание лабораторной установки
Структурная схема лабораторной установки представлена на рис.
1.4.
Рис. 1.4. Структурная схема лабораторной установки
1 – акустический канал; L – длина акустического канала;
2 – отверстие для подачи газовой смеси; И1, И2 – источники излучения;
П1, П2 – приемники излучения; Т12 – время прохождения ультразвукового луча от
И1 к П1; Т21 – время прохождения ультразвукового луча от И2 к П2;
БУ – блок управления; ИП – источник питания;
3 – центробежный нагнетатель воздуха; ТР – тахометрический расходомер
Лабораторный стенд для измерения концентрации и расхода газа
представляет собой акустический канал (1), на концах которого
расположены пьезоэлементы – источники ультразвукового излучения
(И1 и И2) и приемники (П1 и П2). Подача газа осуществляется через
отверстие (2), для смешивания исследуемого газа с основным,
9
заполняющим акустический канал, используется центробежный
нагнетатель воздуха (3).
Центробежный нагнетатель воздуха подключен к управляемому
источнику питания (ИП). Блок управления (БУ) включает в себя: ГИ –
генератор импульсов, У – усилитель, К – компаратор, ИОН – источник
опорного напряжения, ТУ – триггерное устройство, ЛЭ – логический
элемент, Г – генератор тактовых импульсов, Сч – счетчик, Р – регистр,
МПС – микропроцессорная система, БИТ – блок измерения
температуры, БСК – блок совмещения с компьютером.
Структурная схема блока управления представлена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Структурная схема блока управления
АК – акустический канал; И1, И2 – источники ультразвуковых волн;
П1, П2 – приемники ультразвуковых волн; ГИ – генератор импульсов;
У – усилитель; К – компаратор; ИОН – источник опорного напряжения;
ТУ – триггерное устройство; ЛЭ – логический элемент;
Г – генератор тактовых импульсов; Сч – счетчик; Р – регистр;
МПС – микропроцессорная система; БИТ – блок измерения температуры;
БСК – блок совмещения с компьютером
10
Микропроцессорная система (МПС) выдает в генератор
импульсов сигнал (ГИ) на возбуждение излучателей (И1 и И2).
Излучатели преобразуют электрическую энергию в ультразвуковую и
излучают ее в акустический канал.
Приемники (П1 и П2) преобразуют поступившую ультразвуковую
энергию в электрический сигнал, который усиливается с помощью
усилителя (У). Усиленный сигнал поступает на компаратор,
преобразующий его в импульсный. Триггер (Т) выделяет временной
интервал прохождения ультразвуковых колебаний через исследуемый
объект и управляет работой счетчика (Сч) через логический элемент
(ЛЭ). Счетчик считает время, за которое сигнал пройдет от излучателя
до приемника. Полученная информация записывается в регистры (Р) и
передается в микропроцессорную систему. Блок измерения
температуры (БИТ) необходим для слежения изменения температуры
окружающей среды. Блок совмещения с компьютером
(БСК)
необходим для передачи информации для последующей обработки и
индикации на компьютере. Частота таковых импульсов генератора
составляет 14 756 600 Гц.
4. Программа работы
1. Изучить принципы работы ультразвукового расходомера и
ультразвукового газоанализатора.
2. Составить структурную схему ультразвукового газоанализатора на
основе использования двух приемо–излучателей (совмещенный
режим).
3. Задавая различные расходы воздуха при использовании
центробежного нагнетателя воздуха построить его градуировочную
характеристику U ïèò  f V  , где V – скорость потока воздуха; Uпит –
напряжение питания.
4. Определить скорость ультразвука в воздухе.
5. Построить теоретическую зависимость скорости ультразвука от
концентрации паров спирта в смеси воздух – пары спирта.
6. Определить скорость ультразвука в смеси воздух – пары этилового
спирта. Спирт впрыскивается в ультразвуковой канал с помощью
шприца.
11
5. Содержание отчета
Цель лабораторной работы.
Структурная схема расходомера с двумя приемо–излучателями
Временные диаграммы расходомера.
Градировочная характеристика центробежного нагнетателя воздуха.
Теоретическая зависимость скорости ультразвука от концентрации
паров спирта в смеси воздух – пары спирта.
6. Результаты измерения скорости ультразвука в воздухе и в смеси
воздух – пары этилового спирта.
7. Ответы на контрольные вопросы.
1.
2.
3.
4.
5.
6. Контрольные вопросы
1. Что такое ультразвук? Основные параметры ультразвука.
2. Назовите физические явления, на основе которых работают
ультразвуковые расходомеры.
3. Какая зависимость положена в основу работы ультразвукового
газоанализатора?
4. Почему ультразвуковые методы не применяют для исследования
многокомпонентных газовых смесей?
5. Привести структурную схему расходомера, основанную на
использовании двух приемо–излучателей, пояснить принцип работы,
привести диаграммы.
6. Какие мешающие факторы влияют на точность измерения и как
уменьшить их воздействие?
7. Почему упругие колебания не могут распространяться в вакууме?
12
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКА В БИООБЪЕКТАХ
1. Цель работы
Ознакомление студентов с методами измерения
распространения ультразвука в биологических тканях.
скорости
2. Краткие теоретические сведения
Распространение волн – это физическое явление, на котором
основаны все методы применения ультразвука в медицине. Звуковая
волна представляет собой распространение упругих колебаний в
различных средах. Распространение звука во многом зависит от
характера колебаний частиц. Каждая частица среды отклоняется
определенным образом при прохождении волны через среду. Коротко
можно характеризовать передачу звука следующим образом:
материалы, обладающие упругостью, распространяют акустические
волны; упругость обеспечивает восстанавливающую силу, которая
стремится вернуть каждую частицу материала в его исходное
положение. Наличие инерции является причиной того, что частица
колеблется около среднего положения. При движении волны каждая
частица выполняет определенного вида колебания.
Рис. 2.1. Визуальное и графическое представление изменений давления
и плотности в ультразвуковой волне.
13
Важной физической характеристикой звуковых колебаний
является амплитуда волны или амплитуда смещения. Амплитудой
волны называется максимальное смещение колеблющихся частиц среды
от положения равновесия. Мощность звука при одной и той же частоте
зависит от амплитуды колебания звучащего тела. Тело, совершающее
колебания с большей амплитудой, будет вызывать более резкое
изменение давления среды, и звук будет сильнее.
Скорость, с которой частицы среды колеблются около среднего
положения, называется колебательной. Колебательная скорость (V)
определяется выражением:
 x
V    A  cos   t   ,
 c
(2.1)
где   2  f – круговая частота; А – амплитуда смещения частиц среды;
t – время; x – расстояние от колеблющейся частицы до источника
x
колебаний; с – скорость распространения колебаний в среде;   t   –

c
фаза колебаний.
Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой
разность между мгновенным значением давления в данной точке среды
при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же
точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть
переменное давление в среде, обусловленное акустическими
колебаниями. Максимальное значение переменного акустического
давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через
амплитуду колебания частиц:
P  2  f    c  A ,
(2.2)
где Р – максимальное акустическое давление (амплитуда давления); f –
частота; с – скорость распространения ультразвука;  – плотность
среды; А – амплитуда колебания частиц среды.
Акустические свойства биологических тканей
Биологическая ткань представляет собой сложную среду,
акустические свойства которой на микромасштабном уровне пока еще
не изучены. Для упрощения биологическую среду рассматривают не как
твердое тело, а как жидкость. В такой среде нет сдвиговых волн,
14
поэтому теория распространения волн проще, чем для твердого тела. В
диапазоне ультразвуковых частот это предположение справедливо
почти для всех тканей тела, хотя имеются исключения, например кость.
То, что взаимодействие ультразвука с биологической тканью можно
рассматривать на модели его взаимодействия с жидкостями, – важный
фактор,
повышающий
практическую
ценность
медицинской
ультразвуковой диагностики.
На распространение ультразвуковой волны существенное влияние
оказывают, как было отмечено выше, акустические свойства среды.
Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и
ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением.
Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой
плотности к объемной скорости ультразвуковых волн. Удельное
акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением
амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной
скорости ее частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше
степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания
частиц среды. Численно удельное акустическое сопротивление среды
(Z) находится как произведение плотности среды (r) на скорость (с)
распространения в ней ультразвуковых волн:
Z  r c .
(2.3)
Его величина является наименьшей для жидкой среды и
наибольшей для костной ткани. Акустическое сопротивление среды
определяется
поглощением,
преломлением
и
отражением
ультразвуковых волн. Как показывают расчеты, для отражения
достаточно, чтобы импедансы сред отличались, по крайней мере, на 1%.
Чем значительнее различие в акустическом сопротивлении соседних
тканей, тем большая часть энергии отражается на их границе и тем
значительнее угол преломления. Например, на границе мягкая ткань –
кость отражается около 30% всей энергии ультразвукового потока, а на
границе мягкая ткань – газ отражение практически полное. В последнем
случае угол преломления будет приближаться к 900. Этим объясняется
необходимость использования специальной среды, помещаемой между
датчиком и поверхностью тела пациента и называемой акустическим
связывающим агентом (гель, вазелиновое масло и др.), при проведении
различного рода ультразвуковых исследований, т.к. неизбежно
возникающая между датчиком и кожей пациента воздушная прослойка
значительно затрудняет прохождение всех ультразвуковых сигналов.
Кроме того, степень отражения зависит от угла падения луча на
15
поверхность раздела сред: чем больше угол приближается к прямому,
тем сильнее степень отражения. Чем выше частота ультразвука, тем
меньше допустимое расстояние между двумя границами раздела сред.
Другим не менее важным принципом, на котором основано
действие всей ультразвуковой диагностической аппаратуры, является
распространение ультразвуковых колебаний. Если длина волны
значительно превышает диаметр пластины излучателя, то звуковые
волны распространяются во все стороны от источника в форме так
называемых сферических волн. Если же длина волны меньше размеров
излучателя, то ультразвуковая энергия концентрируется в луч.
Ультразвуковые колебания имеют очень малую длину волны и могут
быть получены в виде узких пучков, распространяющихся аналогично
световым лучам по законам оптики. Ультразвуковые волны, излучаемые
датчиком, вначале идут параллельно, а затем начинают расходиться.
Расстояние, на котором луч остается параллельным (L), зависит от
радиуса датчика (r) и длины волны (λ).
Идеализированная форма звукового поля этого излучателя
представлена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Идеализированное поле плоского акустического излучателя
Начиная с расстояния Z0=D/(4λ), поле конусообразно
расширяется. Интервал от излучателя до Z0 называется ближней зоной,
или зоной Френеля. Область, где Z > Z0, называется дальней зоной, или
зоной Фраунгофера. В этой зоне амплитуда давления падает
пропорционально расстоянию от излучателя. Угол α между
направлением распространения ультразвуковой волны и образующей
пучка определяется условием
sin  =
À
.
D
16
(2.4)
Для круглой пластинки A=1,22, D – диаметр круга; для
квадратной пластинки А=1, D – сторона квадрата.
Распространено представление о плоском характере волны в
ближней зоне. В действительности поле в этой зоне имеет весьма
сложный характер, что объясняется наложением волн, излучаемых
отдельными участками поверхности излучателя. Анализ показывает, что
интенсивность ультразвука в ближней зоне периодически меняется в
интервале от излучателя до Z0 (рис. 2.3). Последний максимум
находится на расстоянии Z0. Далее амплитуда звукового давления
монотонно уменьшается.
Рис. 2.3. Изменение интенсивности колебаний в упругой волне
в зависимости от расстояния до излучателя
Распределение интенсивности ультразвука в поперечном к оси
сечении также неоднородно и зависит от расстояния до излучателя.
В ближней зоне, при Z < Z0, интенсивность может иметь
несколько максимумов. В дальней зоне, при Z > Z0, интенсивность
имеет один максимум и монотонно падает по мере удаления от оси
пучка.
Следующие свойства биологических тканей – это поглощение и
рассеяние ультразвуковых колебаний. Они характеризуют глубину
проникновения ультразвука в ткани. Потери энергии ультразвука при
прохождении через среду возрастают с увеличением частоты
колебаний, вязкости среды и ее теплопроводности.
Важным параметром является скорость распространения
ультразвуковой энергии в среде. Колебательное движение передается от
одной частицы к другой не мгновенно, а с некоторой скоростью. Таким
образом, ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с
конечной скоростью, определяющейся упругими свойствами среды и ее
плотностью.
17
Скорость распространения акустических волн в жидкостях
зависит от коэффициента сжимаемости жидкостей:
c
1

,
(2.5)
где  – плотность жидкости;  – коэффициент адиабатической
сжимаемости, равный относительному изменению объема ∆V/V при
изменении давления на ∆Р. Коэффициент  рассчитывают по формуле
 
1 V

.
V P
(2.6)
Скорость звука является наиболее эффективным параметром в
различных методах ультразвуковой диагностики по сравнению,
например, с коэффициентами затухания или рассеяния, поскольку сами
эти коэффициенты в определенной степени зависят от вариаций
скорости звука. Она наиболее объективно характеризует процесс
распространения акустических волн в тканях.
На рис. 4. указаны типичные пределы вариаций скорости звука
для ряда биологический тканей, как человека, так и млекопитающих.
Приведенные значения соответствуют экспериментальным данным
различных авторов. Для сравнения указаны также значения скорости
звука для некоторых материалов небиологического характера.
В целом на основе данных, показанных на рис. 2.4, можно
выделить три класса тканей:
 ткани легкого, малая скорость звука в которых определяется
высоким газосодержанием;
 костную ткань, близкую по своим свойствам к твердому телу;
 жидкие среды и мягкие (водоподобные ткани).
Большое различие в скоростях звука и плотностях между мягкими
тканями и костями или между мягкими тканями и легкими приводит к
очень сильному рассеянию ультразвука на границах раздела между
этими тканями. В тканях, относящихся к третьему классу
(биологические жидкости и мягкие ткани), различия в скорости звука
невелики. Максимальные отклонения от некоторого среднего значения
составляют для этих тканей всего лишь ±10%.
18
Рис. 2.4. Диапазон изменения скорости звука в различных биологических
средах. Ряд данных получен на тканях, взятых у млекопитающих разного
биологического вида; измерения проводились в диапазоне частот 1 – 10 МГц,
температура колебалась в интервале от 20 до 900С. Все измерения были
выполнены либо in vivo, либо на свежеудаленных образцах тканей:
1 – сталь; 2 – кварц; 3 – стекло; 4 – латунь; 5 – зубы; 6 – костная ткань;
7 – плексиглас; 8 – нейлон; 9 – полистирол; 11 – полиэтилен;11 – желчный камень;
12 – натуральный каучук; 13 – желатин (10%); 14 – силиконовый каучук
марки RTV; 15 – легкие; 16 – сухой воздух; 17 – кожа; 18 – селезенка;
19 – молочная железа; 20 – мышечная ткань; 21 – мозг;
22 – стекловидное тело и влага передней камеры; 23 – печень; 24 – почки;
25 – молоко; 26 – околоплодная жидкость; 27 – спинномозговая жидкость;
28 – физиологический раствор; 29 – сухожилия; 30 – хрящи; 31 – хрусталик глаза;
32 – кровь; 33 – вода; 34 – жировая ткань.
19
3. Описание лабораторной установки
Предлагаемая методика диагностики патологий в мягких тканях
при холодовых травмах или синдромах позиционного сдавливания
(СПС) базируется на использовании прибора, который реализует, так
называемый временной теневой метод, основанный на регистрации
изменения скорости распространения ультразвуковых колебаний,
вызванных изменением физических свойств исследуемого объекта при
наличии патологии. Структурная схема лабораторной установки
приведена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структурная схема лабораторной установки
Структурная схема прибора содержит блок измерения скорости,
блок питания, клавиатуру, блок индикации и блок измерения
расстояния между датчиками.
Блок измерения скорости состоит из:
20
 излучателя, который преобразует электрические колебания в
ультразвуковые для излучения ультразвуковой волны в исследуемый
объект;
 приемника, который преобразует ультразвуковые колебания в
электрические;
 усилителя напряжения, который усиливает полученный сигнал
по амплитуде;
 компаратора, который преобразует аналоговый сигнал в
цифровой;
 триггера, который выделяет временной интервал прохождения
ультразвуковых колебаний через исследуемый объект;
 счетчика, который определяет время распространения сигнала
через исследуемый объект;
 микропроцессорной системы (МПС), которая обрабатывает
данные;
 генератора ультразвуковых импульсов, который вырабатывает
высокочастотные электрические импульсы, возбуждающие излучатель,
подключенный к его выходу;
 генератора тактовых импульсов.
Счетчик, триггер, генератор тактовых импульсов и компаратор
составляют блок измерения времени.
Работой прибора управляет МПС. Она выдает импульс на вход
установки триггера, разрешая тем самым работу счетчика и генератора
ультразвуковых импульсов, который формирует короткий импульс
возбуждения на излучатель. Излучатель преобразует электрический
импульс в механические колебания затухающей амплитуды. Эти
колебания вводятся в биообъект и распространяются в нем в
направлении приемника, который принимает и преобразует их в
электрические сигналы. Усилитель напряжения, подключенный к
выходу приемника, усиливает сигнал и подает на прямой вход
компаратора. На инверсный вход компаратора подано пороговое
напряжение. Если сигнал с выхода усилителя меньше порогового
напряжения, то на выходе компаратора появляется логический ноль,
если сигнал с выхода усилителя превышает пороговое напряжение, то
на выходе компаратора появляется логическая единица, которая
сбрасывает триггер в ноль, останавливая тем самым работу счетчика и
сигнализируя МПС о окончании счета. МПС считывает данные со
счетчика, умножает их на период генератора тактовых импульсов,
определяя тем самым время распространения ультразвуковых
21
колебаний в исследуемом объекте, а по известному расстоянию
вычисляет скорость ультразвука по формуле:
С=L/t,
(2.7)
где: L – расстояние между излучателем и приемником; t – измеренное
время распространения.
Результат вычисления времени и скорости выводится на
индикатор. Режим вывода задается с помощью клавиатуры. После
включения прибора в сеть он находится в режиме вывода времени.
После однократного нажатия кнопки «РЕЖИМ» прибор переходит в
режим отображения расстояния. В этом режиме возможно изменение
введенных данных о расстоянии. Для этого кнопками «+» или «–»
изменяют данные и нажимают кнопку «ВВОД». После этого новые
данные записываются в память МПС. При повторном нажатии кнопки
«РЕЖИМ» прибор переходит в режим отображения скорости. Для
возврата прибора в режим отображения времени необходимо нажать
кнопку «РЕЖИМ» еще раз. Блок измерения расстояния представляет
собой типовой микрометр, по лимбу которого производится считывание
данных о расстоянии (рис. 2.6). После этого с помощью клавиатуры это
расстояние заносится в прибор.
Рис. 2.6. Блок измерения расстояния
4. Предварительное задание
1. Записать формулу для определения скорости ультразвука в воде при
изменении ее температуры.
22
2. Построить график зависимости скорости ультразвука от температуры
воды в диапазоне 0–400С.
5. Программа работы
1. Изучить структурную схему лабораторного макета.
2. Включить прибор в сеть.
3. Определить суммарную задержку времени распространения
ультразвука в протекторе излучателя и приемника.
Для определения суммарной задержки времени распространения
ультразвука в протекторе датчика необходимо использовать два образца
разной длины, изготовленные из пластика. Измеряем время
распространения ультразвука в каждом из них, микрометром
определяем длину этих образцов и строим зависимость времени
распространения ультразвука от длины. При отсутствии протектора
прямая проходит через начало координат, при наличии протектора
прямая имеет смещение, зависящее от толщины протектора. Время
задержки распространения можно определить из графика, но при этом
точность будет невысокой. Второй способ – это решение системы
уравнений:
Т1изм = Т1м + Тп
Т2изм = Т2м + Тп
где: Т1изм – измеренное время с использованием первого образца; Т2изм–
измеренное время с использованием второго образца; Т1м – время
распространения ультразвука в первом образце;
Т2м – время
распространения ультразвука во втором образце; Тп – время
распространения ультразвука в протекторе датчика.
Вычитаем второе уравнение из первого:
Т1изм – Т2изм = Т1м – Т2м.
Определяем скорость распространения ультразвука в металле См:
Cм=(L1–L2)/ (Т1изм – Т2изм).
Определяем время распространения ультразвука в металле:
Т1м=См/L1.
23
Теперь можно найти время распространения ультразвука в
протекторе:
Тп = Т1изм – Т1м.
В последующих измерениях необходимо проводить коррекцию
измеренного времени на величину Тп для правильного вычисления
скорости распространения ультразвука.
4. Измерить время и рассчитать скорость распространения ультразвука
на фантоме.
5. Измерить температуру фантома.
6. Пересчитать скорость к температуре 360С.
7. Определить погрешность измерения скорости при отсутствии
данных о толщине протектора.
6. Содержание отчета
1. Структурная схема прибора.
2. Расчетные и экспериментальные зависимости.
3. Ответы на контрольные вопросы.
7. Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Как зависит скорость ультразвука в воде от давления?
Зачем в структурной схеме прибора нужен компаратор?
Как определяется зона Френеля?
Как обеспечивается акустический контакт датчика с биообъектами?
Дайте определение колебательной скорости?
Как зависит точность измерения времени распространения
ультразвука в биообъекте от частоты ультразвука?
24
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
1. Цель работы
Ознакомление студентов с косвенными способами измерения
плотности биологических жидкостей.
2. Краткие теоретические сведения
Методы измерения плотности
Одной из основных физических величин, характеризующих
свойства вещества, является плотность. Различные вещества, имеющие
при одинаковой температуре равные объемы, обладают разной массой, и
наоборот. Отношение массы вещества к его объему является физической
величиной, которая характеризует свойства вещества и называется
плотностью.
Расчет плотности вещества можно производить по тривиальной
формуле, которая имеет вид:

m
 [кг/м3] ,
(3.1)
где:  – плотность однородного вещества или средняя плотность
неоднородного вещества; m, v – масса и объем вещества соответственно.
Плотномер – прибор, измеряющий плотность газов, жидкостей и
твердых тел, а также плотность сыпучих веществ.
Все методы измерения плотности можно разделить на прямые и
косвенные.
К прямым относят методы, основанные на законах механики
жидкостей, т.к. плотность в этом случае определяют по результату действия
массовых сил жидкости. Сюда относится метод измерения массы
определенного объема жидкости, а также методы, использующие законы
гидростатики и гидродинамики. Приведем примеры плотномеров:
а. Гидростатический плотномер – статический весовой плотномер
жидкостей, в котором плотность жидкости определяется по
гидростатическому давлению столба жидкости заданной высоты;
б. Двухпоплавковый плотномер содержит два поплавка одинакового
объема и одинаковой массы, погружаемые в исследуемую и
25
образцовую жидкости. Разность плотностей жидкостей определяется по
разности выталкивающих сил, действующих на поплавки;
в. Маятниковый вибрационный плотномер с крутильным маятником для
измерения многофазных веществ. Плотность определяется по изменению
периода колебаний маятника, вызываемого изменением плотности смеси;
г. Турбинный плотномер – проточный плотномер жидкости. Плотность
определяется по моменту на валу турбины, вращающейся с постоянной
частотой.
Плотномеры прямого метода в большинстве случаев громоздки и не
удобны в эксплуатации, и в некоторых случаях требуются стационарные
условия измерения. При этом время, затрачиваемое на измерение,
достаточно велико.
К косвенным относятся методы, которые основаны на зависимостях
между плотностью и различными физическими свойствами вещества,
например, способностью поглощать ультразвуковые волны, радионуклидные
излучения и т.д.
Радионуклидные плотномеры предназначены для бесконтактного
измерения плотности жидкостей и многофазных веществ. Плотность
определяется по ослаблению ионизирующего излучения при
прохождении его через вещество. При этом используется опасное для
здоровья человека ионизирующее излучение.
Рассмотрим косвенные методы определения плотности с
использованием УЗ на примере некоторых плотномеров:
а) Импульсный плотномер основан на измерении времени
распространении УЗ волн в контролируемой среде в зависимости от
изменения плотности. Зондирующие импульсы пропускают через среду с
определенным периодом Т и принимают эхо-импульсы (рис. 3.1). Импульсы
запуска устанавливают в единицу измерительный триггер, который
разрешает работу измерителя временных интервалов. Эхо-импульс после
усиления и преобразования в цифровой вид сбрасывает в ноль измерительный
триггер, в результате на его выходе формируется импульс длительностью t,
пропорциональный плотности среды. Логический ноль на выходе
измерительного триггера запрещает работу измерителя временных
интервалов, в результате чего на его выходе получается цифровой код
пропорциональный длительности импульса на выходе триггера.
Полученный код поступает в блок обработки, где вычисляется плотность
среды.
26
Рис. 3.1. Диаграммы работы импульсного ультразвукового плотномера
б) В автоциркуляционном плотномере (рис. 3.2) определяют величину
обратного времени распространения УЗ волн в среде. Этой величиной
является частота ƒ в электронной замкнутой системе, состоящей из УЗ
излучателя 1, контролируемой среды 2, УЗ приемника 3, усилителя 4,
детектора 5, каскада запуска 6, блокинг-генератора 7, усилителя мощности 8.
Плотность определяется по разности частот ∆ƒ = ƒ 0 – ƒ, где ƒ 0 – частота
источника опорных импульсов 10, ƒ – частота автоциркуляции.
в) Принцип действия фазного плотномера основан на измерении фазы УЗ
волн, прошедших через среду.
г) Интерферометрический плотномер построен на измерении длины
волны по акустическому резонансу столба исследуемой среды заданной
высоты, когда в нем укладывается четное число полуволн. Индикация
резонанса осуществляется по реакции генератора возбуждающего
напряжения, поступающего на излучатель, или по напряжению принятого
сигнала.
д) В плотномере с акустическим фильтром использован эффект изменения
спектра УЗ импульса при распространении его в контролируемой среде через
размещенный в ней твердый слой (рис. 3.3).
27
8
2
1
7
6
9
10
4
3
5
Рис. 3.2. Структурная схема автоциркуляционного плотномера
3
2
5
4
1
6
7
8
9
11
10
12
13
Рис. 3.3. Структурная схема плотномера с акустическим фильтром
28
Генератор 1 электрическими видеоимпульсами возбуждает
пьезоэлектрический преобразователь 2, посылая короткие импульсы быстро
затухающего УЗ колебания в жидкость. Для расширения спектра излучения
пьезоэлемент излучателя жестко демпфирован (акустически). Излученный
импульс, распространяясь в среде 3, достигает размещенной в ней
наклонной пластины (фильтра) 4, и, проходя через нее, изменяет
длительность фронта в зависимости от плотности. УЗ импульс после
прохождения через акустический приемник 5 усиливается усилителем 6 и
поступает на ключевые каскады 7 и 8, соединенные с соответствующими
формирователями импульсов 9 и 10 запуска триггера 11.
Благодаря тому, что ключевые каскады выполнены с неодинаковыми
временными отсечками, срабатывание формирователей происходит с
запаздыванием друг относительно друга на период фронтальных колебаний
принятого УЗ импульса. В результате триггер вырабатывает
прямоугольные электрические импульсы длительностью, зависящей от
плотности среды. Импульсы на выходе триггера поступают в
интегрирующий блок 12, где преобразуется в постоянное напряжение,
амплитуда которого пропорциональна плотности и измеряется
регистрирующим блоком 13. Период УЗ колебаний фронтальной части
принятого УЗ импульса не зависит от протяженности пути импульса, что
обеспечивает контроль независимо от акустической базы, а следовательно
и диаметра сосуда.
е) Импедансным плотномером измеряют плотность однородных твердых и
газообразных веществ, бинарных растворов и смесей жидкостей.
Применение этих плотномеров предполагает, что известна зависимость
между импедансом и плотностью вещества и выражается в следующем
виде:
z = ρ· С,
(3.2)
где: С – скорость звука [м/с].
ж) Вибрационный плотномер измеряет плотность по параметрам упругих
колебаний, сообщенных сосуду с исследуемым веществом.
Способы получения ультразвуковых колебаний
Электродинамический и электромагнитный вибраторы, как
излучатели звука, применяются в слышимом диапазоне частот, и
практически не используются в УЗ области, т.к. вследствие своей
инерционности они не могут обеспечить работу на УЗ частотах. В связи с
этим используют пьезоэлектрические и пьезомагнитные вибраторы. Для
29
того чтобы возбудить излучатель, необходим генератор переменного
напряжения высокой частоты.
Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой
пластины при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим
эффектом, и наоборот, если к кварцевой пластине приложить
напряжение, то она изменит свои геометрические размеры (обратный
пьезоэлектрический эффект).
Для получения УЗ колебаний возможно использование ударного
возбуждения пьезопластины.
1) Ударное возбуждение можно получить с помощью генератора
зондирующих импульсов, который содержит два основных элемента:
колебательный
контур,
включающий
в
себя
излучающий
пьезопреобразователь, и электронную схему, обеспечивающую генерацию
коротких импульсов заданной формы. В колебательном контуре
параллельно или последовательно пьезоэлементу включены индуктивность
и активное сопротивление. Можно также применять трансформаторную
связь (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Схема генератора ударного возбуждения
Конденсатор С заряжают до высокого напряжения. На управляющий
электрод тиристора VD подается отпирающее напряжение, и через открытый
тиристор происходит разряд конденсатора, следовательно, возбуждаются
колебания в контуре. Фронт ударного импульса определяется временем
заряда конденсатора. Ему соответствуют высокочастотные составляющие
спектра
импульса,
выходящие
за
пределы
пропускания
пьезопреобразователя. В результате излучаемый в среду акустический
импульс имеет форму, близкую к колоколообразной.
2) Возбуждение излучателя радиоимпульсами переменного
напряжения с частотой, соответствующей собственной частоте
пьезопластины, приводит к тому, что пьзопластина генерирует
механические колебания с собственной частотой (явление резонанса).
30
Возбужденная радиоимпульсом пластина будет свободно колебаться до тех
пор, пока не растратит сообщенную ей энергию на внутреннее трение и
передачу энергии в виде УЗ волн. Частота затухающих колебаний
практически остается равной собственной частоте не затухающих колебаний,
и только при большом коэффициенте затухания возникают изменения
частоты.
В настоящее время существуют попытки возбуждения
пьезоизлучателя с использованием лазера.
3) Лазерное возбуждение заключается в следующем: при
облучении энергией светового потока какого-либо участка тела другие
участки этого тела приобретают повышенную температуру не сразу, а
спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры
приводит к неравномерному тепловому расширению тела, и как
следствие, к термомеханическим напряжениям. Т.к. эти напряжения
меняются во времени, то в результате возникают акустические волны,
излучаемые слоем с изменяющейся температурой.
Амплитуда акустического импульса линейно зависит от энергии
лазерного импульса. Из-за нерешенной проблемы приема сигналов и
отсутствия твердотельных лазеров, отвечающих необходимым
требованиям по частоте посылаемых импульсов и их надежности,
лазерное возбуждение мало распространено. Однако, такой способ
перспективен, учитывая большую амплитуду (в 50–100 раз больше, чем у
пьзопреобразователей), малую чувствительность к помехам, малую
длительность (единицы нс) зондирующего импульса.
Выбор метода измерений
Быстрое распространение ультразвуковых методов связано с
появлением новых средств излучения и приема акустических волн. Таким
образом, обеспечивается возможность повышения мощности УЗ излучения и
увеличение чувствительности при приеме слабых сигналов, а также
расширение верхней границы диапазона излучаемых и принимаемых волн
в область гиперзвуковых частот.
Для выбора метода измерения плотности сравним некоторые виды
плотномеров, которые достаточно часто применяются в различных отраслях
промышленности.
Как было сказано выше, в автоциркуляционном плотномере
производится вычисление частоты ∆ƒ, как разности между частотой
автоциркуляции и частотой опорных импульсов. В двухканальном
исполнении такого плотномера увеличивается сложность исполнения, и как
31
следствие снижается надежность, а также процесс измерения будет
происходить с большим временем преобразования информативных величин.
Плотномер с акустическим фильтром сложен в реализации, как и
интерферометрический, в котором использован эффект изменения спектра
УЗ импульса при распространении его в контролируемой жидкости.
Если использовать импедансный плотномер, возникают трудности в
определении зависимости импеданса и плотности вещества.
В связи с этим, наиболее приемлемым является использование
косвенного метода, основанного на измерении времени распространения
УЗ волн в контролируемой среде в зависимости от плотности среды. Этот
метод прост в реализации, практически безинерционен, время
распространения акустического сигнала мало, а также нет необходимости
нарушения целостности сосудов с контролируемой жидкостью, что
позволяет определять плотность жидкости практически в любом сосуде.
При измерении плотности биологических жидкостей применяется
высокие частоты акустических колебаний (0,1–10 МГц). Для ввода
акустических колебаний в сосуд и для приема их на выходе из сосуда
необходим излучатель и приемник колебаний. С этой целью будем
использовать раздельно-совмещенный преобразователь. Таким образом,
часть сигнала, пройдя через контролируемую среду, будет отражаться от
внутренней поверхности сосуда, и поступать на приемник. Этот способ
позволит увеличить путь прохождения УЗ в среде в два раза и исключает
необходимость точной юстировки пьезоэлементов.
При контроле чистых жидкостей (без твердых включений)
целесообразно работать на высокой частоте и поэтому следует использовать
тонкие пьезоэлектрические пластины.
Часто в УЗ устройствах применяют ударное возбуждение
пьезоэлектрических преобразователей, которое вполне приемлемо для
исследуемого устройства.
Исследование зависимости скорости звука от плотности
исследуемой жидкости
В жидкостях звук распространяется в виде объемных волн
разряжения-сжатия (продольные волны), причем процесс этот обычно
адиабатический, т.е. изменение температуры в УЗ волне не успевает
выравниваться.
Скорость распространения УЗ волн в жидкостях выражается
следующим уравнением:
32
C
1
,
 àä  
где: d – коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости.
Следовательно, измеряя тем или иным способом скорость
распространения УЗ волны в данной среде и считая коэффициент
адиабатической сжимаемости постоянным, можно легко определить
плотность среды. Однако коэффициент адиабатической сжимаемости
достаточно сложно вычислить.
Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ волны по мере ее
распространения в заданном направлении, т.е. затухание звука, обуславливается,
расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и
поглощением звука, которое характеризуется коэффициентом поглощения .
Интенсивность УЗ при прохождении расстояния L убывает по
экспоненциальному закону и описывается формулой, которая имеет следующий
вид:
I = I 0 ·exp(-2·α·L),
где: I 0 – начальная интенсивность, Вт/м2.
В жидкостях скорость звука, как правило, уменьшается с ростом
температуры. Исключением из этого правила является вода, в которой
скорость звука при увеличении температуры растет.
Имеется аналогия и в измерении плотности газообразных и твердых
веществ. Плотность уменьшается с ростом температуры (вследствие
температурного расширения и увеличивается с ростом давления).
Исключение составляет вода – ее плотность имеет максимум при 4°С и
уменьшается как с повышением, так и понижением температуры.
Время прохождения импульса определяется по следующим
формулам:
∆t = T = 1/F Г ,
(3.3)
где: F Г =40 МГц – частота генератора.
t = N·∆t
(3.4)
Общее время, которое понадобится УЗ импульсу для прохождения
через сосуд, выражается следующей формулой:
33
t общ = 2·( t ж+ t тр+ t пр),
где: t ж – время, затрачиваемое на прохождение УЗ импульса через
жидкость; t тр – время, затрачиваемое на прохождение УЗ импульса через
стенку сосуда; t пр – время, затрачиваемое на прохождение УЗ импульса
через протектор.
Скорость распространения ультразвука в исследуемой среде будет
определяться из выражения:
C
2L
2L

,
tæ
tîáù  2tòð  2tïð
где L – расстояние между стенками сосуда.
В лабораторной работе проводится определение плотности растворов
состоящих из:
 воды и этилового спирта;
 воды и сахара;
 воды и поваренной соли.
3. Описание лабораторной установки
Прибор для измерения скорости распространения ультразвука в
контролируемой среде состоит из микропроцессора, датчика температуры,
блока индикации, генератора, пьезопреобразователя, усилителя,
компаратора, источника опорного напряжения, измерительного триггера,
блока преобразования временного интервала в цифровой код и емкости с
исследуемой жидкостью (рис. 3.5).
Работа устройства заключается в следующем: управляющий сигнал с
микропроцессора CPU подается на генератор и усилитель, запирая его на
время работы генератора, а также на вход установки S триггера, триггер
устанавливается в логическую единицу и разрешает работу преобразователя
время/код. Генератор возбуждает ультразвуковой датчик, в результате
генерируется УЗ импульс, который проходит через среду и, отразившись от
противоположной стенки сосуда, возвращается к датчику. Принятый сигнал
преобразуется в электрический и далее после усиления поступает на первый
вход компаратора. На второй вход компаратора подается опорное
напряжение с источника опорного напряжения. Как только выходное
напряжение усилителя превысит порог компаратора на его выходе
34
появится сигнал, сбрасывающий триггер в ноль, тем самым, запрещая
работу преобразователя время/код. Полученные данные с преобразователя
поступают в микропроцессор. Для компенсации изменения скорости
распространения ультразвука в контролируемой среде, вызванное
изменением температуры, в схеме предусмотрен цифровой датчик
температуры. Данные о температуре среды поступают в микропроцессор,
который осуществляет расчет скорости, производит ее температурную
коррекцию и по полученной скорости вычисляет плотность жидкости.
Результат вычислений отображается на индикаторе. При отсутствии
отраженного сигнала или при наличии неисправности в схеме
микропроцессор перед началом нового цикла измерения производит сброс
триггера по входу R и обнуление преобразователя время/код.
Рис. 3.5. Структурная схема лабораторного стенда
для измерения плотности биологических жидкостей
4. Предварительное задание
1. Определить молекулярную массу этилового спирта, сахара и
поваренной соли.
2. Используя формулу для скорости ультразвука в смеси двух веществ,
полученную на основании правила смешения:
35
C2 
xC  (1  x)C p1
RT
 p
,
xM  (1  x) M 1 xCv  (1  x)Cv1
(3.5)
где: М – молекулярный вес первого вещества; М1 – молекулярный вес
второго вещества; Ср, Сv – удельная изобарная и удельная изохорная
теплоемкость первого вещества; Ср1, Сv1 – удельная изобарная и
удельная изохорная теплоемкость второго вещества; x – концентрация
первого вещества, в долях,
рассчитать и построить зависимости скорости ультразвука в
растворах:
 воды и этилового спирта, от концентрации спирта;
 воды и сахара, от концентрации сахара;
 воды и поваренной соли, от концентрации поваренной соли.
5. Программа работы
1. Изучить структурную схему прибора.
2. Снять зависимость величины временного интервала от концентрации
растворов сахара, спирта и соли. Объем воды взять 100 мл.
Концентрацию спирта изменять от 1 до 10 мл, концентрацию сахара
и соли – (1 ÷ 15) г.
Определение времени осуществляется по формуле:
T= 12,510-9N,
где N – количество импульсов в цуге.
3. По полученным экспериментальным данным построить зависимости
скорости распространения УЗК от концентрации растворов спирта,
сахара и соли.
6. Содержание отчета
1. Цель лабораторной работы.
2. Методы измерения плотности веществ.
3. Структурная схема прибора и описание по ней принципа работы
прибора.
4. Расчетные
и
экспериментальные
зависимости
скорости
распространения УЗК от концентрации растворов.
5. Получить аппроксимирующее уравнение для вычисления плотности
или концентрации раствора по величине измеренной скорости УЗК.
36
6. Выводы по проделанной работе.
7. Ответы на контрольные вопросы.
7. Контрольные вопросы
Как зависит скорость ультразвука в воде от температуры?
Как зависит скорость ультразвука в воде от частоты?
Как зависит скорость ультразвука в воде от давления?
Какие вы знаете методы измерения скорости ультразвука?
Чем определяются предельно допустимые значения частоты
ультразвука в биологических жидкостях?
6. Перечислите способы получения ультразвуковых колебаний.
7. Приведите примеры прямых и косвенных методов определения
плотности вещества.
8. Назовите примеры использования полученных зависимостей.
1.
2.
3.
4.
5.
37
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИЗУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИСТЕМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
1. Цель работы
Ознакомление студентов с методами и устройствами получения
изображений с использованием ультразвуковой эхо-импульсной
локации.
2. Краткие теоретические сведения
В настоящее время системы УЗ визуализации стали важнейшим
техническим средством для врачей, дополняющим рентгеновские или
ядерные устройства отображения. Эти методы позволяют видеть
внутренние органы человека, как изображение, воспроизводящее один к
одному, соответствующие анатомические детали и представляют собой
мощное диагностическое средство современной медицины.
Отметим, что при рентгеновской визуализации используется
трансмиссионный метод, при котором визуализируется картина
представляющая собой распределение поглощающей способности
анатомических структур организма по визуализируемому участку. В
процессе визуализации количественная мера коэффициента поглощения
рентгеновских лучей отображается на другую количественную меру,
например яркость изображения или цвет изображения.
При использовании акустических полей также возможно
получение изображения отображающего коэффициент прохождения
ультразвука через исследуемую структуру. Однако такие методы
визуализации не нашли распространения в медицине, т.к. они требуют
двустороннего доступа и обладают низкой чувствительностью. В
настоящее время в медицине используется ультразвуковая эхоимпульсная визуализация.
Существующие эхо-импульсные системы насчитывают много
видов. Основным элементом любой системы визуализации является
электроакустический преобразователь, который служит для излучения
зондирующего акустического импульса в объект и для приема
акустических эхо-сигналов, переизлучаемых неоднородностями
акустической плотности. Преобразователь может представлять собой
пластинку из пьезоэлектрического материала или одно- или двумерную
решетку пьезоэлементов. Для использования эхолокации необходимо
знать точное расположение преобразователя и ориентацию оси УЗ
38
пучка в пространстве. При этих условиях можно правильно определить
положение обнаруженных рассеивателей ультразвука. Для получения
визуальной картины необходимо сканирование, т.е. движение оси пучка
через исследуемый объем. Сканирование можно выполнить одним из
трех способов: путем перемещения всего преобразователя с
фиксированным направлением пучка вручную, с использованием
механического привода, а также путем движения пучка относительно
неподвижного преобразователя (решетки), что достигается с помощью
электронного управления.
Устройством отображения, почти повсеместно применяемым для
ультразвуковой эхо-импульсной визуализации, служит электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Поэтому состояние разработок и характеристики
систем визуализации сильно зависят от характеристик ЭЛТ (полосы
частот, размера светящейся точки на экране, динамического диапазона).
В настоящее время общепринятыми являются два основных
режима отображения: непосредственное отображение видеосигнала с
выхода приемного тракта и отображение сигнала с промежуточного
запоминающего устройства. Из-за практического удобства последний
режим применяется все чаще, т.к. он позволяет хранить и анализировать
изображения,
не
прибегая
к
непрерывной
регистрации
(фотографированию и т.п.), а также позволяет делать выбор процедуры
обработки или анализа данных, соответствующих изображений или
какой-то его части. Важным достоинством режима промежуточного
запоминания является то, что он обеспечивает сопряжение параметров
сканирования,
обусловленных
особенностями
ультразвука
и
анатомического строения человека, и стандартных телевизионных
устройств, что выгодно с точки зрения стоимости и доступности
техники.
Режимы представления эхо-импульсной информации
В настоящее время применяются различные методы регистрации
эхограмм, каждый из которых имеет свои преимущества в конкретных
областях медицины. Наиболее простым методом УЗ визуализации
является изображение типа А. Регистрация амплитуд отраженных
ультразвуковых импульсов в функции глубины называется изображением типа А.
В таком изображении расстояние между датчиком-излучателем
ультразвука и поверхностью соприкосновения тканей неодинаковой
акустической
плотности,
измеряемое
вдоль
оси
датчика,
раскладываются по горизонтальной оси экрана, а амплитуды
39
отраженных импульсов по вертикальной.
изображения типа А показан на рис. 4.1.
Типичный
образец
Изображение
Печень
Аорта
Желудок
Датчик
Почки
Рис. 4.1. Изображение типа А
УЗ импульс, распространяясь в теле человека и частично
поглощаясь, будет отражаться от поверхности соприкосновения, двух
тканей неодинаковой акустической плотности. Часть энергии УЗ
импульса будет преломлена на границе тканей и продолжит
распространяться во второй ткани, а часть энергии импульса будет
отражена от поверхности. Если эта поверхность расположена
перпендикулярно направлению распространения ультразвука, то
отраженная часть энергии импульса будет восприниматься датчиком и
преобразовываться в электрический сигнал, который после
необходимой обработки отображается на экране. Не отраженная часть
энергии импульса продолжит распространяться по прямой, все еще
частично поглощаясь на пути до достижения очередной границы между
двумя тканями неодинаковой акустической плотности. Таким образом,
вся эхограмма представляющая одномерную картину поверхностей
соприкосновения тканей неодинаковой акустической плотности,
постепенно изображается на экране.
Эхограммы регистрируются прямо на экране ЭЛТ и необходимы
для определения расстояния, регистрации амплитуды отраженных
импульсов, различия плотных тканей от пузырных и т.п. Аппаратура
40
этого класса достаточно проста и применяется для обследования
органов имеющих простое анатомическое строение. К приборам этого
класса относятся отечественные «ЭХО-11»; «ЭХО-12»; «ЭХО-21» и др.
На рис. 4.2 показана структурная схема аппаратуры,
использующей сканирование типа А. Преобразователь 2 служит для
преобразования электрических колебаний в ультразвуковые излучения
ультразвуковых полей в объект, приема эхо-импульсов от отражающих
оверхностей объекта 1. Синхронизатор 3 обеспечивает синхронную
работу узлов дефектоскопа, запуская генератор зондирующих
импульсов 4, глубиномер 12, а также генератор развертки 10. Роль
синхронизатора иногда выполняет генератор зондирующих импульсов.
5
6
7
9
3
8
13
10
11
12
14
4
1
2
Рис. 4.2. Структурная схема прибора с разверткой типа А
Генератор
зондирующих
импульсов
4
вырабатывает
высокочастотные
электрические
импульсы,
возбуждающие
преобразователь 2. Приемно-усилительный тракт состоит из усилителя
высокой частоты (УВЧ) 6, детектора 7 и видеоусилителя 8.
Коэффициент усиления УВЧ во времени регулируется напряжением,
подаваемым с блока 9 временной автоматической регулировки
41
чувствительности (ВАРЧ). Особенностью УВЧ является требование
малого времени восстановления чувствительности после воздействия
зондирующего импульса. Детектор или видеоусилитель обычно
снабжают регулируемой отсечкой шумов, исключающей прохождение
на выход прибора шумов. Блок ВАРЧ уменьшает коэффициент
усиления усилителя в момент излучения зондирующего импульса, а
затем восстанавливает его по определенному закону, обеспечивающему
компенсацию уменьшения амплитуд с увеличением глубины
зондирования. Генератор развертки 10 предназначен для формирования
напряжения развертки луча на экране ЭЛТ 14, получения импульсов
подсвета и селектирующих импульсов. Генератор задержки 11
необходим, если часть пути УЗ колебаний проходит по контролируемой
зоне, например, по призме преобразователя или иммерсионной
жидкости. В этом случае, начало развертки смещается на постоянный
интервал времени.
Развитием А-режима является режим отображения движущихся
органов, разработанный в основном для исследования сокращений
сердца и диагностики работы клапанов сердца. Этот режим получил
название М-режима (метод временного движения). В этом методе,
движение тканей, расположенных вдоль линии, наблюдается
непрерывно, в то время как позиция источника ультразвуковых
колебаний фиксирована.
Вертикальное местоположение эхо-сигнала на диаграмме,
изображенной на рис. 4.3, представляет глубину тканей.
Местоположение эхо-сигнала изменяется вдоль оси времени и
показывает движение каждой ткани.
Рис. 4.3. Принцип метода временного движения (М-режима)
42
Этот метод эффективен в диагнозе различных сердечных сбоев, в
том числе и тех, которые вызывают ненормальную работу сердечных
клапанов. С помощью данного метода можно обнаружить опухоль
сердца. Но определение её местоположения и размера должны
производиться в комбинации с отображением поперечного сечения.
При М-режиме амплитуда видеосигнала модулирует яркость
строки. Все полученные строки медленно разворачиваются по
горизонтали, в результате чего формируется характерная Мэхокардиограмма, приведенная на рис. 4.4.
Рис. 4.4. М-эхограмма
Если датчик, излучающий ультразвук и воспринимающий
отраженные от поверхности эхо-импульсы, перемещать по телу
пациента и одновременно эхограммы, соответствующие различным
участкам тела, раскладывать по высоте экрана, то получается
динамическая картина – так называемая эхограмма типа «времядвижение» (ТМ–time move). Такая эхограмма похожа на картину,
получаемую с помощью электрокардиографа.
Сканирование с яркостной индикацией позволяет получать в эхорежиме двумерное изображение сканированного объекта в плоскости
его поперечного сечения. Такой вид сканирования получил название Всканирования. Изображение при В-сканировании создается в результате
перемещения узкого акустического пучка в заданной плоскости.
Принимаемые эхо-сигналы располагаются на экране устройства
отображения таким образом, чтобы имело место соответствие, между
43
строками развертки на экране и направление распространения
ультразвука в ткани. Структурная схема обобщенного В-сканера
представлена на рис. 4.5.
Импульсный генератор
Синхронизация
Переключ.
Излуч/
прием
Детектор
приемника
Процессор
изображ.
Дисплей
Ось x
Датчики
положения
преобразователя
Ось y
Преобразователь
Рис. 4.5. Блок-схема системы с В-сканированием
Импульсный генератор возбуждает преобразователь, в результате
чего последний вырабатывает короткий акустический импульс.
Акустические сигналы, отраженные от объектов, расположенных по
траектории УЗ-пучка, поступают на преобразователь, преобразуются в
электрические сигналы и далее обрабатываются для вывода на дисплей.
Очень часто в подобных устройствах предусмотрено изменение во
времени коэффициента усиления усилителя. Это нужно для частичной
компенсации затухания сигналов, отраженных от глубоких слоев. Такая
регулировка называется временной компенсацией усиления. Положение
и угловая ориентация УЗ-луча контролируется при помощи
электронных схем контроля положения пучка, которые задают
положение развертки эхо-сигналов на экране.
После приема эхо-сигналов преобразователем они усиливаются,
выпрямляются, а затем подаются на дисплей для модуляции яркости. В
системах визуализации первых разработок в их состав входил
стандартный дисплей на ЭЛТ, имеющий лишь два уровня яркости (типа
темно/светло). Регулировка порога позволяет изменять значение
44
критического уровня сигнала; все эхо-сигналы, превышающие этот
уровень, отображаются на экране с одинаковой яркостью, а эхо-сигналы
не превышающие его, вообще не отображаются. При таком дисплее вид
получаемых изображений чрезвычайно сильно зависит от величины
порога, так что обеспечить воспроизводимость такого изображения
довольно трудно.
Одним из наиболее важных достижений в области получения
акустических изображений оказалось введение в систему полутонового
устройства отображения. В таком устройстве обычно имеется не менее
10 градаций яркости. В системе визуализации этого типа
устанавливается соответствие между данным уровнем яркости и
интенсивностью эхо-сигнала, а более слабые – с соответственно
меньшей яркостью. При этом метод В-сканирования дает изображения,
структура которых в меньшей степени зависит от действия оператора и
которые интерпретировать легче, чем изображения на дисплее с двумя
уровнями яркости. Информативность полутоновых изображений также
оказывается выше. Поэтому системы с полутоновыми устройствами
отображения получили широкое распространение.
Кроме этого применяются цветные устройства отображения, в
которых разные по интенсивности эхо-сигналы отображаются
сигналами разной цветности. Цветное изображение в отличие от чернобелого позволяет получать два добавочных параметра: цвет и
насыщенность. Благодаря этому увеличивается информативная
способность изображения.
На рис. 4.6 представлены типичные изображения для трех видов
сканирования: линейного, секторного и дугового.
Для наглядности преобразователь показан в увеличенном виде;
обычно диаметр преобразователя во много раз меньше размера
исследуемой области. При линейном сканировании (рис. 4.6, а)
преобразователь перемещается по прямой линии. Отметим, что поле
зрения в направлении движения равно длине пути преобразователя,
тогда как по временному измерению (по глубине), поле зрения
определяется только глубиной проникновения ультразвука (т.е. зависит
от частоты и затухания) или же физическими размерами сканируемого
объекта. Преимущество этого метода заключается в том, что
изображение формируется с равномерной плотностью строк в растре, в
результате чего пространственная частота дискретизации постоянна по
объекту и изображение на экране имеет привычный вид.
При секторном сканировании (рис. 4.6, б) преобразователь
располагают в какой-то одной точке на объекте или над объектом и
качают в пределах углового сектора обзора.
45
а
б
в
Рис. 4.6. Механическое перемещение и форма представления
изображения при линейном (а), секторном (б) и дуговом (с)
В-сканировании
В этом случае поле зрения увеличивается с увеличением глубины
проникновения ультразвука. Однако по мере расширения поля зрения
плотность строк в растре уменьшается. Этот вид сканирования особенно
удобен для просмотра объекта через узкие отверстия, например для
наблюдения сердца через грудную клетку.
При дуговом сканировании (рис. 4.6, с) преобразователь
перемещается по дуге окружности, в результате чего форма
изображения имеет вид, обратный форме изображения при секторном
сканировании.
Причем
поле
зрения
максимально
вблизи
преобразователя и уменьшается с глубиной проникновения. Дуговое
сканирование и его модификация чаще всего применяется при ручном
сканировании брюшной полости, поверхность которой близка к дуге
окружности.
Комбинированное сканирование, которое представляет собой
сочетание секторного сканирования с линейным или дуговым,
иллюстрирует рис. 4.7.
46
Рис. 4.7. Механическое перемещение и форма представления изображения
при комбинированном линейном сканировании
(показаны только два положения преобразователя)
Отметим, что в области комбинированного сканирования точки
объекта визуализируются более чем одним УЗ-пучком. Для наглядности
здесь показаны только два положения преобразователя на
прямолинейной траектории и соответствующие секторы обзора.
Обычно при комбинированном сканировании сектор обзора намного
меньше, чем при простом секторном сканировании (при секторном
сканировании отклонение преобразователя составляет до ±45°). При
комбинированном сканировании точки объекта облучаются не одним, а
несколькими акустическими импульсами с разных направлений.
Комбинированное сканирование служит для преодоления
основной проблемы, возникающей при В-сканировании, трудности
визуализации зеркальных отражений и объектов, расположенных за
этими отражателями, т.к. направление отражения ультразвука
зеркальным отражателем зависит от ориентации отражателя по
отношению к преобразователю. Поэтому падающий на зеркальный
отражатель УЗ пучок может отразиться в таком направлении, что эхосигнал не попадет на преобразователь. Это явление (ошибочно)
интерпретируется как отсутствие отражателя, и соответствующего
изображения не вырабатывается, даже если фактически поверхность
раздела имеет очень большой коэффициент отражения. Такой случай
показан на рис. 4.8,а при простом линейном сканировании
цилиндрического объекта (например, кровеносного сосуда). Ультразвук,
падающий на боковой участок объекта, после отражения проходит
мимо преобразователя и поэтому не может быть зарегистрирован. В
простом случае можно мысленно соединить две полученные дуги,
чтобы восстановить истинную форму объекта; однако при исследовании
сложного биологического объекта такое восстановление не всегда
возможно.
47
а
б
Рис. 4.8. Линейное сканирование
и изображение цилиндрического зеркального отражателя (а);
комбинированное сканирование (сочетание линейного и секторного
сканирования) того же объекта (б)
Комбинированное сканирование помогает «дорисовать» ту часть
зеркальной отражающей поверхности, которая не визуализируется при
простом сканировании. Этот случай иллюстрирует рис. 4.8, б. Здесь
также показаны только два положения преобразователя на линейной
траектории и лишь один угол отклонения, обеспечивающий
визуализацию боковой части поверхности сосуда. Комбинированное
сканирование
удобно
также
при
визуализации
областей,
расположенных за сильно отражающими или поглощающими
структурами (например, за ребрами), т.к. оно позволяет зондировать
скрытые участки объекта по направлениям, на которых отсутствует
затенение.
Электронное сканирование
Существует два типа систем визуализации с электронным Всканированием: системы с линейным шаговым перемещением пучка
(обычно называется просто линейной матрицей) и системы с линейной
фазированной матрицей (обычно называется фазированной матрицей).
Для линейной матрицы требуется большое число элементов
малых размеров, расположенных один за другим. Они образуют
линейную матрицу обычно шириной около 1 см и длиной от 10 до 15
см. Конфигурация линейной матрицы с шаговым перемещением пучка
показана на рис. 4.9, а.
В каждый момент времени, возбуждая от одного до четырех
элементов, эта группа последовательно перемещается вдоль матрицы,
так что УЗ-пучок движется по линейной траектории, хотя матрица
остается неподвижной в пространстве.
48
Положение 2
Положение 1
Пучок, сформированный
смещенной на шаг
группой элементов
Пучок,
сформированный
группой элементов
а
Угол наклона
пучка изменяется в зависимости
от соотношения фаз элементов
матрицы
б
Рис. 4.9. Системы электронного сканирования
с линейной (а) и фазированной матрицей (б)
49
Фазированная матрица имеет аналогичную конструкцию, однако
работает иначе. Преобразователь в фазированной матрице меньше по
размерам (ширина – около 1 см, длина – 1–3 см) и обычно содержит
меньшее число элементов (Рис. 4.9, б).
Все его элементы возбуждаются одновременно, а угол наклона
УЗ-пучка меняется путем соответствующего фазирования излучаемых
сигналов, подводимых к элементам, а также путем фазирования
сигналов, принимаемых каждым элементом. Такая система аналогична
радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой.
Системы с линейной матрицей
В медицине нашли применение несколько систем с линейной
матрицей. Хотя изображение можно получать, возбуждая в каждый
момент времени только один элемент для формирования отдельных
строк изображения, из-за низкой разрешающей способности и
чувствительности такой метод мало эффективен. Поэтому элементы
матрицы объединяют в небольшие группы; в результате
последовательного отключения последнего элемента группы и
подключения следующего элемента матрицы группа шагами
перемещается вдоль решетки, сдвигаясь каждый раз на один элемент.
Таким образом, благодаря формированию группы элементов,
увеличивается активная площадь преобразователя, возрастает
чувствительность, увеличивается апертура и в соответствии с теорией
дифракции повышается разрешающая способность в дальней зоне. Это
объясняется тем, что фронт области дальнего поля, где пучок начинает
расходиться, находится на расстоянии x, причем
где

d2
x
,
4
– длина УЗ-волны, d – размер апертуры.
(4.1)
Сравнение диаграмм направленности при различном числе
входящих в группу элементов показывает, что длина волны не меняется,
а расстояние до области дальнего поля пропорционально квадрату
числа элементов в группе.
На рис. 4.10 схематично показано влияние увеличения числа
элементов в группе от одного до трех.
50
Ближняя зона
для одиночного
элемента
Дальняя зона
для одиночного
элемента
Ближшяя зона
для группы из
трёх элементов
Дальняя зона
для группы из трёх
элементов
В этой области разрешающая
способность повышается благодаря
группировке элементов
Рис. 4.10. Повышение разрешающей способности при использовании
группы из нескольких элементов по сравнению с одиночным элементом
При конструировании системы с линейной матрицей число
элементов, объединяемых в группу, определяется исходя из требований
к разрешающей способности прибора и глубине зондирования. В
пределах группы все элементы можно соединять параллельно (т.е. они
будут возбуждаться в одной фазе) или предусмотреть определенное
смещение по фазе между отдельными элементами с целью повышения
разрешающей способности в изображаемой плоскости. Поскольку
распределение фаз вдоль активной группы элементов может оставаться
одним и тем же независимо от того, в каком месте матрицы
расположена данная группа, фокусировка при помощи фазирования
элементов в исследуемой плоскости с целью повышения разрешающей
способности не требует значительного усложнения электронной
аппаратуры. На рис. 4.11 представлена структурная схема типичной
УЗ-системы визуализации с линейной матрицей.
Поскольку в большинстве линейных матриц электронная
фокусировка фазированием не применяется, поперечная разрешающая
способность таких систем, как правило, ниже, чем при ручном Всканировании, тогда как их продольная разрешающая способность
(определяемая длительностью акустического импульса) может быть
такой же, как у систем с В-сканированием и ручным приводом. Как и в
случае механической системы, работающей в реальном времени,
частота кадров, глубина зондирования и число строк развертки –
взаимосвязные параметры, но поскольку поперечная разрешающая
способность ограничена, нет необходимости в большом числе строк
развертки, так что обычно допускается высокая частота кадров.
51
Большинство сканеров с линейной матрицей имеет от 64 до 128 строк и
частоту кадров от 20 до 40 кадр/с. Такие приборы имеют небольшую
массу и стоимость благодаря простоте электронных схем.
Хронизатор
Отклонение по оси У
Отклонение
Излучатель
Приемник
Яркость
Отклонение по оси Х
Схемы управляющие последовательным
переключением
Элементы матрицы
Дисплей
Переключатели
Рис. 4.11. Структурная схема системы с В-сканированием и линейной
матрицей, иллюстрирующей принципиальную простоту схемы
Сканеры с линейной матрицей, работающие в реальном времени,
находят применение в акушерстве, в частности для определения
беременности и слежения за ее ходом.
Системы с фазированной матрицей
Устройства с линейной фазированной решеткой – довольно
широко распространенный тип контактных сканеров, работающих в
реальном масштабе времени. Путем фазирования сигналов
возбуждения, поступающих на отдельные элементы матрицы и
снимаемых с этих элементов, можно обеспечить как требуемое
отклонение пучка относительно поверхности матрицы, так и его
фокусировку. В системах такого типа развертка имеет форму сектора,
52
как показано на рис. 4.9, б. Приборы этого класса часто используются
для визуализации сердца.
Термин «фазированная матрица» здесь употреблен не совсем
корректно, т.к. для широкополосных сигналов угол наклона пучка и
фокусировка фактически определяются относительной задержкой
сигналов, создаваемых каждым элементом. Для изменения этой
задержки применяются два устройства:
1. Набор линий постоянной задержки, подключаемых к цепям, по
которым проходит сигнал в соответствующие моменты времени и в
определенной последовательности;
2. Линии задержки с электронной регулировкой, в которых
деятельность задержки плавно меняется при помощи соответствующего
сигнала управления.
В серийной аппаратуре применяется оба указанных устройства,
хотя электронное управление задержкой обладает большей гибкостью.
Структурная схема сканера с фазированной матрицей
представлена на рис. 4.12. Поскольку такие системы требуют сложных
линий задержки, стоимость их выше, чем сканеров с линейной
матрицей.
К прибору
1’
1
2’
3’
2
4’
3
5’
4
5
O
L
y
Ѳ
2a
m
z
B
x
Рис. 4.12. Система с фазированной матрицей
53
Поскольку каждой строке развертки соответствует только один
излученный импульс, при излучении можно обеспечить только
постоянную фокусировку на некоторый заранее заданной глубине или
на фокальной линии, занимающей некоторый интервал глубин.
Принимаемые сигналы, состоят из множества эхо-сигналов,
приходящих с разных глубин в определенной временной
последовательности. Таким образом, путем изменения задержки при
приеме эхо-сигналов можно менять фокусировку по глубине в
соответствии с залеганием точек, от которых отражаются эхо-сигналы.
При этом поперечная разрешающая способность становится выше
разрешающей способности системы с фиксированным фокусным
расстоянием.
Метод С-сканирования
Метод С-сканирования обеспечивает получение двумерного
изображения объекта в прямоугольной системе координат. В отличие от
метода В-сканирования, при котором одна из координат определяется
временем прихода акустического импульса, при С-сканировании время
не играет решающей роли.
Различают трансмиссионный вариант С-сканирования и эхоимпульсный вариант. В трансмиссионном варианте время не играет
никакой роли, и изображение представляет собой теневую картину,
напоминающую рентгеновские флюорографические изображения. Они
имеют более привычный вид, чем изображение при В-сканировании и
легче поддаются интерпретации, однако требуют двустороннего
доступа и, следовательно, их реализация возможна лишь при наличии
иммерсионной среды. При С-сканировании эхо-импульсами время лишь
определяет расстояние до сканируемой плоскости. Для отображения на
экране дисплея в этом случае используется только светящаяся точка из
определенной глубины.
Методы С-сканирования в трансмиссионном и эхо-режимах дают
разные изображения. Контрастность изображения, полученных в
трансмиссионном режиме, зависит главным образом от градиентов
коэффициента затухания ультразвука в ткани, а контрастность
изображений полученных в эхо-режиме, – главным образом от
изменений акустического импеданса.
На рис. 4.13 представлена структурная схема простой системы Ссканирования с механическим приводом работающей в эхо-импульсном
режиме. Импульсный генератор возбуждает преобразователь, который
вырабатывает короткие импульсы сфокусированного ультразвука,
54
проходящие через исследуемый объект. Полученные возмущенное УЗполе
преобразуется
в
электрический
сигнал
приемным
преобразователем; принятый
сигнал
сначала
поступает
на
предусилитель, а затем на усилитель, работающий в режиме
стробирования по дальности, который усиливает только акустический
сигнал, распространяющийся по прямому пути (без переотражений). В
дальнейшем стробированный по дальности сигнал обрабатывается,
подвергается логарифмическому сжатию по амплитуде и полутоновому
отображению. Следует отметить, что на формирование изображения,
таким образом, уходит много времени.
Синхронизация
Ось Z
Импульсн.
генератор
Предусиление
Усилитель со
стробированием
по дальности
Обработка
изображ.
Дисплей
Переключатель
излуч./прием
Только для
С-сканирования
в эхо-режиме
Ось X
1
Датчик
положения
ОсьY
2
Рис. 4.13. Структурная схема системы С-сканирования
3. Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется с использованием прибора
УД2-12.
Подготовка прибора к работе.
Органы управления, индикаторы, разъемы
На передней панели прибора (см. рис. 4.14) расположены:
55
1 – сенсорный переключатель режимов отсчета. При касании
пальцем оператора сенсорного контакта происходит соответствующее
переключение режима отсчета;
2 – кнопка НАКАЛ. Нажатием кнопки выключается накал ЭЛТ;
3 – кнопка РАБОТА. Нажатием кнопки при нажатой кнопке
НАКАЛ включается прибор;
4 – кнопка аттенюатора. Нажатием кнопки
вводится
соответствующее ослабление;
5 – ручка, предназначена для ручного стробирования сигнала на
экране ЭЛТ;
6 – экран ЭЛТ;
7 – цифровой индикатор;
8 – индикатор НАКАЛ индицирует включение накала ЭЛТ, гаснет
при нажатии кнопки РАБОТА;
9 – индикатор режима отсчета;
10 – индикатор АСД, автоматический световой индикатор
дефекта;
11 – разъем, выходной разъем прибора для подключения ПЭП;
12 – разъем, входной разъем прибора для подключения ПЭП.
Рис. 4.14. Передняя панель прибора
На задней панели прибора (см. рис. 4.15) расположены:
56
1 – кнопка
125 Hz
. При нажатой кнопке частота внутренней
500 Hz
синхронизации равна 500 Гц, при отжатой – 125 Гц;
2 – Кнопка «х2». При нажатии кнопки частота синхронизации,
установленная кнопкой 125/500(Гц) (Поз. 1) увеличивается в два раза;
3 – кнопка ВНЕШ/ВНУТР. При нажатой кнопке увеличивается
внутренняя синхронизация дефектоскопа, при отпущенной – внешняя;
4 – выход синхронизации;
5 – вход внешней синхронизации;
6 – клемма для заземления дефектоскопа;
7 – вставка плавкая (220 В, 36 В, 24 В) предназначена для защиты
выпрямителя при коротком замыкании и для переключения напряжения
сети. При напряжении сети 220 В номинальный ток вставки 0,5А, при
36 В – 2 А и при 24 В – 2 А;
8 – вставка плавкая (1 А) предназначена для защиты
стабилизатора напряжения при коротком замыкании.
Рис. 4.15. Задняя панель прибора
На верхней панели прибора (см. рис. 4.16) расположены:
Панель А5:
57
1 – ручка для калибровки прибора в режиме измерения
координаты y;
2 – ручка для калибровки прибора в режиме измерения
координаты х;
3 – ручка предназначена для калибровки прибора в режиме
измерения расстояния Н до объекта.
ВНИМАНИЕ! Ручки – десятиоборотные.
4 – гдездо, соединенное с общей шиной прибора;
5 – регулятор предназначен для установки яркости ЭЛТ. В
крайнем правом положении яркость максимальная;
6 – регулятор предназначен для фокусировки луча ЭЛТ;
7 – регулятор предназначен для устранения астигматизма луча
ЭЛТ;
8 – регулятор предназначен для смещения по горизонтали линии
развертки на экране ЭЛТ;
9 – регулятор предназначен для смещения по вертикали линии
развертки на экране ЭЛТ.
Панель А6:
10 – гнездо «4» предназначено для подачи импульсов на вход
БЦО при нажатой кнопке «▼»;
11 – кнопка «▼». При нажатой кнопке вход БЦО соединяется с
гнездом «4» поз.10;
12 – ручка предназначена для установки нуля глубиномера. В
крайнем левом положении ручки, длительность импульса установки
нуля максимальна;
13 – гнездо «3» предназначено для контроля длительности
импульса установки нуля;
14 – гнездо «2» предназначено для контроля длительности
задержки развертки;
15 – ручка предназначена для установки задержки развертки. В
крайнем левом положении задержка развертки максимальна;
16 – кнопка. При нажатии кнопки включается вторая развертка;
17 – кнопка «х10». При нажатии кнопки включается вторая
развертка;
18 – гнездо «1» предназначено для контроля длительности
развёртки.
19 – ручка предназначена для установки длительности развёртки.
В крайнем левом положении длительность развёртки минимальна.
ВНИМАНИЕ! Орган управления с грубой и точной установкой.
58
Панель А7:
20 – ручка «АМПЛ.», предназначена для регулировки амплитуды
импульса ГИВ. В крайнем правом положении амплитуда максимальная;
21 – кнопка «1,25», при нажатии кнопки ГИВ работает на частоте
1,25 МГц;
22 – кнопка «1,8», при нажатии кнопки ГИВ работает на частоте
1,8 МГц;
23 – кнопка «2,5», При нажатии кнопки ГИВ работает на частоте
2,5 МГц;
24 – кнопка «5,0», При нажатии кнопки ГИВ работает на частоте 5
МГц;
25 – кнопка «10,0», При нажатии кнопки ГИВ работает на частоте
10 МГц;
26 – регуляторы «1,25», «1,8», «2,5», «5,0», «10,0» предназначены
для подстройки частоты и разрешающей способности.
Панель А8:
27 – кнопка. При отпущенной кнопке показания БЦО обратно
пропорциональны амплитуде сигналы в децибелах, при нажатой –
прямо пропорциональны в линейных единицах;
28 – ручка предназначена для регулирования усиления в середине
зоны ВРЧ. В крайнем левом положении усиление минимальное;
29 – ручка предназначена для регулировки усиления в конце зоны
ВРЧ. В крайнем левом положение усиление минимальное;
30 – гнездо «2» предназначено для контроля длительности зоны
ВРЧ;
31 – ручка предназначена для регулировки длительности зоны
ВРЧ. В крайнем левом положении длительность задержки зоны ВРЧ
минимальная;
32 – ручка предназначена для регулировки длительности задержки
зоны ВРЧ. В крайнем левом положении длительность задержки зоны
ВРЧ минимальная.
ВНИМАНИЕ! Орган управления с грубой и точной установкой.
33 – гнездо «1» предназначено для контроля длительности
задержки зоны ВРЧ;
34 – ручка «  » предназначена для регулировки усиления
устройства приёмного. В крайнем левом положении усиление
минимальное.
59
ВНИМАНИЕ! Орган управления с грубой и точной установкой.
Панель А9:
35 – гнездо «1» предназначено для контроля видеосигнала с
выхода устройства приёмного;
36 – регулятор предназначен для установки уровня отсечки;
37 – ручка предназначена для регулировки амплитуды сигналов
находящихся ниже уровня отсечки. В крайнем левом положении
амплитуда сигнала минимальная;
38 – переключатель «ЧАСТОТА МГц» предназначен для
установки частоты устройства приёмного. Одна из кнопок регулятора
должна быть обязательно нажата.
Панель А10:
39 – гнездо «2» предназначено для контроля длительности строба
АСД;
40 – кнопка «АСД ВРЧ ». При отпущенной кнопке на вторую
развёртку выводится кривая ВРЧ, при нажатой – строб АСД;
41 – ручка предназначена для регулировки длительности строба
АСД. В крайнем левом положении длительность строба АСД
минимальная;
42 – ручка предназначена для регулировки длительности
задержки строба АСД. В крайнем левом положении длительность
задержки строба АСД минимальная.
ВНИМАНИЕ! Орган управления с грубой и точной установкой.
43 – гнездо «1» предназначено для контроля длительности
задержки строба АСД;
44 – регуляторы «1», «II», «III» предназначены для регулировки
порогов срабатывания индикаторов 1, 2 и 3, соответственно. В крайнем
правом положении пороги максимальные;
45 – кнопка. При нажатии кнопки включается звуковой
сигнализатор дефекта.
60
Рис. 4.16. Верхняя панель прибора
4. Порядок включения прибора
1. Перед включением прибора убедитесь в правильности
установления держателя вставки плавкой в соответствии с напряжением
питающей сети и требуемого номинала вставки плавкой.
2. При работе прибора в режиме внутренней синхронизации
кнопка ВНЕШ/ВНУТР должна быть нажата, а при работе в режиме
внешней синхронизации отпущена, при этом на вход «  )»,
находящийся на задней панели дефектоскопа, должен быть подан
сигнал синхронизации, параметры которого должны находиться в
пределах:
Полярность – любая;
Амплитуда – от 5 до 10 В;
Частота следования от 50 до 1000 Гц;
Длительность импульса – от 1 до 5 мкс.
61
3. При работе с прямыми и наклонными ПЭП присоедините к
выходу «(  » и ко входу «  )» прибора кабель Щ04.850.278 или
Щ04.850.278-01. К кабелю подключите необходимый тип ПЭП.
Раздельно-совмещённые ПЭП подключите кабелем к входу «  )»
прибора и к выходу «(  » прибора.
4. Установите последовательно органы управления прибора в
следующие положения:
Все независимые кнопки на верхней панели прибора – в
отпущенное положение.
Все регуляторы на верхней панели прибора – в крайне правое
положение (кроме поз. 26 и 44).
Ручку «5» на передней панели прибора – в крайне левое
положение.
Нажмите кнопку «2,5» на блоках А7 и А9.
Нажмите кнопку ВНЕШ/ВНУТР на задней панели дефектоскопа.
Отпустите кнопку «х2», а кнопку 125/500 Гц нажмите.
Нажмите кнопку НАКАЛ на передней панели прибора.
Через Imin нажмите кнопку РАБОТА на передней панели прибора
(при этом должна загореться горизонтальная чёрточка против
сенсорного контакта «dB»).
Регуляторами «  », «  », «  ». «  » на блоке А5 установите
линию луча на нулевую линию горизонтальной шкалы ЭЛТ прибора,
начало линии совместите с левой границей шкалы и получите чёткое
изображение луча.
Порядок работы
1. Выберите частоту следования зондирующих импульсов
прибора и тип ПЭП в зависимости от материала контролируемого
изделия. Подключите ПЭП к прибору через соответствующий кабель.
Высокую частоту следования устанавливайте при малых
длительностях развёртки для получения яркого изображения на экране
ЭЛТ, а также при автоматическом или полуавтоматическом контроле
изделий при больших скоростях контроля.
Низкую частоту следования устанавливайте при контроле из
материалов с малым затуханием УЗК, в противном случае могут
наблюдаться реверберационные помехи (особенно при контроле
изделий малого диаметра, большой толщины и при работе в режиме
задержанной развёртки).
62
2. При контроле изделий могут наблюдаться структурные и
реверберационные шумы, которые можно полностью или частично
убрать с помощью ручки «36» блока А9.
Уменьшение шума на экране практически не изменяет полезного
сигнала.
3. При длительности задержки зоны ВРЧ и зоны АСД больше
длительности развёртки на второй развёртке индуцируется ложный
строб ВРЧ или АСД.
4. Установку задержки стробов АСД и ВРЧ производить ручками
поз. 42 и 32 соответственно из левого крайнего положения.
5. Перед настройкой прибора произведите подготовку в
соответствии с разделом «Порядок включения прибора».
6. Настройка ВРЧ прибора.
6.1. После пятиминутного прогрева прибора установите ПЭП,
предварительно смоченный контактной жидкостью, на рабочую
поверхность образца с «ближним отражателем», изготовленного из
материала контролируемого изделия. Нажмите кнопку «16» блока А6.
Ручкой «  » блока А8 и кнопками «ОСЛАБЛЕНИЕ dB» на передней
панели прибора установите сигнал на стандартный уровень. Ручкой
«32» блока А8 установите начало строба ВРЧ, который находится на
второй развёртке, на перпендикуляр, восстановленный из основания
заднего фронта импульса, отражённого от «ближнего отражателя».
Внимание! При появлении на линии второй развёртки двух
стробов ВРЧ (при малых длительностях развёртки) работать со
вторым стробом.
6.2. Установите ПЭП на рабочую поверхность образца с «дальним
отражателем». Ручкой «32» блока А8 установите конец строба ВРЧ на
перпендикуляр, восстановленный из основания переднего фронта
импульса, отражённого от «дальнего отражателя».
Регулятором «29» блока А8 установите амплитуду сигнала
равную стандартному уровню. Для удобства наблюдения сигнала на
экране ЭЛТ используйте ручку «15» и «19» блока А6.
6.3.Установите ПЭП на рабочую поверхность образца со
«средним отражателем» и, при необходимости, регулятором «28» блока
А8 установите амплитуду сигнала равную стандартному уровню.
6.4. Устанавливая ПЭП на рабочую поверхность образца с
«ближним», «средним» и «дальним» отражателями убедитесь, что
63
амплитуды сигналов от всех отражателей примерно равны, а если это не
так, то повторите операции, указанные в пп. 6.1 – 6.3.
7. Установка зоны АСД. Нажмите кнопку «АСД ВРЧ ». Ручками
«41» и «42» блока А10 установите строб АСД по экрану ЭЛТ таким
образом, чтобы он перекрывал сигналы от всех отражателей (от
«ближнего» и «дальнего»).
8. Установка порога срабатывания индикаторов АСД.
8.1. Выполните указания раздела «Порядок включения прибора»,
затем установите ПЭП на образец со «средним отражателем».
8.2. Установите кнопками аттенюатора ослабление 40 dB.
8.3. Установите ручкой «  » амплитуду сигнала примерно на 8
делений шкалы ЭЛТ, при этом цифровой индикатор должен показывать
(0,02–0,05) dB, при необходимости измените величину ослабления
аттенюатора.
8.4. Застробируйте регуляторами «41» и «42» блока А10 сигнал от
«среднего отражателя».
8.5. Уменьшайте ручкой АМПЛ. блока А7 сигнал до тех пор, пока
на цифровом индикаторе будут показания (1±0,3) dB. Регулятором «1»
блока А10 зажгите индикатор АСД «1» на передней панели прибора.
8.6. Измените ручкой «АМПЛ.» блока А7 сигнал ещё на 6 dB, при
этом цифровой индикатор прибора должен показывать (7±0,5) dB.
Далее регулятором «2» блока А10 зажгите индикатор АСД «2» на
передней панели прибора.
8.7. Измените ручкой «АМПЛ.» блока А7 сигнал ещё на 6 dB, при
этом цифровой индикатор прибора должен показывать (13±0,7) dB.
Далее регулятором «3» блока А10 зажгите индикатор АСД «3» на
передней панели прибора.
8.8. Установите регулятором «АМПЛ.» сигнал на 8 делений
вертикальной шкалы ЭЛТ и повторите операции по пп. 8.5.– 8.7.
8.9. Пороги срабатывания индикаторов АСД находятся в
состоянии готовности, если при изменении величины амплитуды
сигнала от 8 делений вертикальной шкалы ЭЛТ до нуля происходит
последовательное срабатывание индикатора АСД, причём, пороги
срабатывания на уровнях:
«1» – (1 ± 0,3) dB
«2» – (7 ± 0,5) dB
«3» – (13 ± 0,7) dB
8.10. Подстройка или перестройка номинальных значений порогов
срабатывания сигнализатора производится по указаниям 8.1 – 8.9, при
64
этом регуляторы поз. 44 установите вначале в крайнее правое
положение.
9. Режим измерения временного интервала.
9.1. В приборе реализована возможность измерения временных
интервалов импульсной части дефектоскопа: длительности развёртки,
задержки развёртки, установки нуля глубиномера, длительности
стробов АСД и ВРЧ, длительности задержек стробов АСД и ВРЧ.
Для проведения измерения необходимо нажать кнопку «▼» блока
А6 и скоммутировать гнездо «4» блока А6 соединителем Щ05.282.034 с
гнездом, находящимся на верхней панели дефектоскопа для измерения
необходимого интервала.
9.2. Установите сенсорным переключателем на цифровом
индикаторе режим измерения «мкс» при этом против надписи «мкс»
должна загореться горизонтальная чёрточка. Нужная дискретность
отсчёта выбирается последовательным касанием пальцем сенсорного
контакта «мкс», при этом на цифровом индикаторе появляется запятая,
которая перемещается в зависимости от дискретности влево.
10. Режим измерения глубины залегания отражателя.
10.1. Выполните указания раздела «Порядок включения прибора»
и пп. 6.1 – 6.4, 7.
10.2. Установите ПЭП на образец с «ближним отражателем».
10.3. Установите сенсорным переключателем режим «mmH», при
этом против надписи «mm» должна загореться вертикальная чёрточка.
10.4. Установите регулятором «12» блока А6 на цифровом
индикаторе прибора действительные значения глубины залегания
«ближнего отражателя».
10.5.Установите ПЭП на образец с «дальним отражателем» и
регулятором «▼mmH» блока А5. Установите действительное значение
глубины залегания «дальнего отражателя».
10.6. Повторяйте операции по пп. 10.2, 10.4, 10.5 до тех пор, пока
значения, индуцируемые цифровым индикатором дефектоскопа, будут
равны действительным значениям глубины залегания отражателей.
10.7. Для проверки правильности настройки глубиномера
установите ПЭП на «средний отражатель» и зафиксируйте показания
цифрового индикатора.
10.8. Глубиномер настроен правильно, если значения, измеренные
цифровым индикатором не хуже (0,015Н+1) mm, где Н –
действительное значение глубины залегания отражателя.
65
10.9. Схема глубиномера измеряет автоматически расстояние до
первого импульса, находящегося в стробе АСД, амплитуда которого не
менее 2 больших делений ЭЛТ.
10.10. При необходимости измерения расстояния до любого
импульса, находящегося в стробе АСД, регулятором на передней
панели погасите все импульсы, находящиеся левее измеряемого, и
застробируйте его стробом, находящимся в начале линии развертки
луча.
11. Режим измерения координат залегания отражателя.
11.1. Выполните указания раздела «Порядок включения прибора»
и п. 6.1.
11.2. Установите сенсорным переключателем режим «mmУ» при
этом против надписи «mmУ» должна загореться вертикальная черточка.
11.3. Ручкой 5 на передней панели прибора застробируйте сигнал
от отражателя, а регулятором «12» блока А6 установите действительное
значение координаты У «ближнего отражателя» на цифровом
индикаторе прибора.
11.4. Установите ПЭП на образец с «дальним отражателем»,
застробируйте сигнал и регулятором «▼mmУ» блока А5 установите
действительное значение координаты У на цифровом индикаторе
прибора.
11.5. Повторяйте операции по п. 11.3, 11.4 до тех пор, пока
показания цифрового индикатора прибора не совпадут с
действительными значениями координаты У.
11.6. Для проверки правильности настройки режима измерения
координаты У установите ПЭП на «средний отражатель» и регулятором
«Х» на передней панели застробируйте сигнал отражателя и
зафиксируйте показание цифрового индикатора.
11.7. Режим измерения координаты У находится в состоянии
готовности, если значения, измеренные цифровым индикатором, не
хуже ±(0.03У+1) mm, где У – действительное значение глубины
залегания отражателя.
11.8. Сенсорным переключателем установите режим измерения
координаты mmХ, при этом против надписи «mm» должна загореться
горизонтальная черточка.
11.9. Установите ПЭП на образец с «ближним отражателем» и
регулятором «▼mmХ» блока А5 установите действительное значение
координаты Х для данного ПЭП, предварительно застробировав
регулятором 5 на передней панели сигнал от «ближнего отражателя».
66
ВНИМАНИЕ. Для правильной установки координаты Х
необходимо уточнить положение риски на боковой поверхности
ПЭП.
11.10. Установите ПЭП на образец с «дальним отражателем» и
убедитесь, что значение, индицируемое цифровым индикатором
прибора, не хуже ±(0.03Х+1) mm, где Х – действительное значение
расстояния от риски на боковой поверхности ПЭП до перпендикуляра,
восстановленного из отражателя.
12. Измерение отношения амплитуд сигналов цифровым
индикатором.
12.1. Выполните указания раздела «Порядок включения прибора».
12.2. Установите ПЭП на образец. Регуляторами 41 и 42 блока
А10 застробируйте сигнал от отражателя.
12.3. По цифровому индикатору прибора измеряется отношение
амплитуд сигналов в пределах от 1 до 20 децибелов. Измерение
производится при наличии сигнала в пределах экрана ЭЛТ. При
увеличении амплитуды сигнала, превышающей 8 больших делений
ЭЛТ, происходит переполнение цифрового индикатора прибора, а при
уменьшении сигнала примерно до 2 малых делений шкалы ЭЛТ,
цифровой индикатор индицирует нули.
12.4. Для измерения текущего значения изменения амплитуды
сигнала от отражателя в децибелах, необходимо произвести
суммирование показаний цифрового индикатора прибора со значениями
отжатых кнопок аттенюатора прибора, либо вычислить разность между
нажатыми кнопками измерительного аттенюатора прибора и
показанием цифрового индикатора прибора.
12.5. Прибор измеряет отношение амплитуды по максимальному
сигналу в стробе АСД. При необходимости измерения отношения
амплитуд других сигналов, находящихся в стробе АСД, необходимо
регулятором 5 находящимся на передней панели прибора,
застробировать требуемый импульс, при этом строб АСД на ЭЛТ
пропадает и появляется короткий строб, а линия луча и все импульсы,
находящиеся левее измеряемого импульса, гасятся.
5. Программа работы
1. Установить датчик на имитатор неоднородностей и получить
эхограммы в 5-ти сечениях имитатора.
67
2. Определить время прихода донного импульса и скорость
распространения УЗК в материале имитатора.
3. Определить временное положение импульсов от неоднородностей
имитатора и глубину залегания неоднородностей.
4. Настроить блок ВРЧ прибора, добившись одинаковой амплитуды
отраженных от неоднородностей импульсов.
5. Получить эхограммы для металлического имитатора дефектов.
6. Настроить АСД на срабатывание от дефекта максимального размера.
6. Содержание отчета
Цель лабораторной работы.
Описание метода визуализации с разверткой типа А.
Структурную схему УЗ прибора с разверткой типа А.
Изображения эхограмм в 5-ти сечениях имитатора неоднородностей.
Результаты
измерений
времени
и
глубины
залегания
неоднородностей на имитаторе.
6. Определение скорости распространения УЗК в материале.
7. Выводы по проделанной работе.
8. Ответы на контрольные вопросы.
1.
2.
3.
4.
5.
7. Контрольные вопросы
1. Что такое временная регулировка чувствительности (ВРЧ) и какую
функцию она выполняет?
2. Что такое М- и ТМ-режим?
3. Как формируется изображение при В-сканировании?
4. Как формируется изображение типа А?
5. Как формируется цветное изображение?
6. Как формируется изображение при С-сканировании?
7. Что такое фазированная антенная решетка и как она используется в
приборах с линейным С-сканированием?
68
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА
В КОСТНЫХ ТКАНЯХ
1. Цель работы
Ознакомление студентов со способами и устройствами измерения
скорости распространения ультразвуковых колебаний в твердых средах.
2. Краткие теоретические сведения
Акустические свойства биологических тканей
Акустические свойства биологических тканей характеризуются
следующими параметрами: скорость распространения упругих
колебаний C, удельным акустическим сопротивлением ρc и
коэффициентом поглощения ультразвука α.
Для большинства тканей, за исключением костной, величины
скорости ультразвука и удельного акустического сопротивления
незначительно отличаются от таких же величин, измеряемых в воде.
Это связано с тем, что более 2/3 массы мягких тканей приходится на
воду.
В таблице 1 приведены данные о значении скорости ультразвука
и плотности некоторых типов биологических тканей.
Таблица 1
Значения скорости ультразвука и плотности
некоторых типов биологических тканей
Ткань
Т, °С
с, м/с
ρс·105,
с/см2·°С
Гладкая мышца
25
1551
1,64
Поперечнополосатая мышца
24
1573
1,66
Жир
25
1467
1,32
Мозг
25
1521
1,6
Кость черепа
–
3660
6,22
Сердце
25
1568
1,66
Печень
25
1574
1,7
69
Почка
25
1559
1,68
Селезенка
25
1524
1,69
Роговица
37
1539
1,72
Хрусталик
37
1647
1,73
Стекловидное тело
37
1534
1,54
Склера
37
1650
1,75
Вода (по Бергману)
25
1497
1,49
Поскольку различие в акустическом сопротивлении мягких
тканей невелико, на границе между ними отражается незначительное
количество энергии. Отличие же костной ткани по акустическому
сопротивлению от мягких тканей и воды является четырехкратным. Это
означает, что при прохождении ультразвука из мягких тканей в кость до
36% акустической энергии может отразиться обратно в мягкие ткани.
Коэффициент поглощения ультразвука показывает, как
уменьшится амплитуда плоской волны при распространении её в среде,
и позволяет оценить степень нагрева биологической ткани под
действием ультразвука. Измерение коэффициента поглощения
осуществляется путём сравнения интенсивности ультразвука,
прошедшего через образец ткани определенной толщины с начальной
интенсивностью ультразвуковых колебаний. Строго говоря, такое
измерение позволяет определить не поглощение, а затухание
ультразвуковых колебаний, которое складывается из поглощения и
рассеяния ультразвука.
Величины коэффициента поглощения и значения толщины ткани
Н, при которой происходит падение интенсивности на 37%, то есть в е
раз представлены в таблице 2.
Хотя коэффициент поглощения различных тканей отличается
между собой, их величины для всех тканей за исключением костной
пропорциональны
частоте
ультразвука.
Следовательно,
для
биологических тканей существует иные более сложные закономерности
распространения ультразвука, чем для однородных сред, где величина
коэффициента затухания возрастает в квадратной зависимости от
частоты.
Из таблицы 2 видно, что значение коэффициента затухания
зависит от структуры биологической ткани, её плотности, вязкости и пр.
Так, жидким биологическим средам свойственно очень малое
поглощение. У тканей, выполняющих в организме поддерживающую и
70
опорную функции, величина коэффициента поглощения нарастает из-за
наличия волокнистых соединительно-тканных структур.
Таблица 2
Величины коэффициента поглощения и значения толщины ткани
ln ( 2)
Коэффициент
H
 см

1
поглощения
Вид ткани
f, МГц
2a  см 
см-1
дБ/см
вода
1
10-3
8,7·10-3
350
плазма крови
0,87
0,02
0,17
17
кровь
1
0,01–0,02
0,09–0,17
17–34
жировая ткань
0,87
0,05
0,4
7,7
селезенка
0,88
0,11
0,95
3,2
почки
0,88
0,13
1,12
2,7
мозг
0,87
0,14
1,2
2,5
мышца
0,88
0,15
1,34
2,3
печень
0,88
0,15
1,3
2,3
сердечная
мышца
0,88
0,16
1,41
2,2
кожа
1
0,4
3,5
0,88
сухожилие
1
0,54
4,7
0,65
хрящ
1
0,58
5
0,6
кость
0,88
0,71
6,2
0,5
Органы с неоднородной структурой (почки) характеризуются
большими значениями поглощения по сравнению с относительно
однородными по структуре тканями (жировая ткань). Малые потери
энергии в слоях жировой ткани при достаточном проникновении
энергии в мышцы обеспечивают хорошие условия для терапевтического
применении ультразвука. Коэффициент поглощения ультразвуковых
колебаний уменьшается, если патологический процесс, локализованный
в той или иной ткани, сопровождается её отеком. Это происходит,
например, при процессах сопровождающих получение холодовых
травм. И, наоборот, коэффициент поглощения увеличивается, когда
пораженная ткань инфильтруется клеточными элементами, когда в ней
71
возрастает содержание межклеточной субстанции, прогрессирующе
теряется жидкость, растут атрофия и склерозирование. Кроме того, на
величину поглощения энергии ультразвуковых волн оказывает влияние
функциональное состояние органа или ткани живого организма
(состояние кровообращения в крупных и мелких сосудах, характер
лимфооттока, сокращение или растяжение, возбуждение или
торможение, работа или отдых и пр.).
Отсюда следует, что для получения информации о патологиях в
организме человека могут быть использованы параметры, связанные со
скоростью распространения ультразвука, как в мягких, так и в костных
тканях, с его отражением и поглощением. Отметим также, что
достоинством ультразвуковых методов получения такой информации
является их неинвазивность.
Анатомическое строение костных тканей
В составе скелета взрослого человека насчитывается более
двухсот различных костей, каждая из которых имеет свою
определенную форму, величину и положение. Различают длинные,
короткие и плоские кости. Костная ткань по своему строению и
химическому составу представляет собой сложный биополимерный
материал, отвечающий требованиям, предъявляемым к живому
организму. Особенно характерны длинные трубчатые кости. Как
правило, они несут значительные продольные усилия, не только
статические, но и ударные. В то же время по роду выполняемых
функций они должны обладать деформативностью, хорошо
сопротивляться усилиям сжатия, поперечному и продольному изгибу,
кручению.
На распилах костей можно различить костные структуры двух
типов: компактный слой и губчатый. И тот и другой построены из
пластинчатой костной ткани. В компактных слоях пластинки
располагаются в строго определенном порядке, образуя очень плотное
компактное вещество. В губчатой кости пластинки располагаются в
балках и перекладинах различной формы, которые перекрещиваются
под разными углами и ограничивают небольшие полости. Компактное и
губчатое вещество распределены в различных костях по-разному, что
зависит от функционального назначения кости.
72
Из компактного вещества состоят главным образом диафизы
трубчатых костей, а из губчатого – их эпифизы. При рассмотрении
микроскопического строения кости (рис. 5.1) было установлено, что
компактное вещество пронизано многочисленными гаверсовыми
каналами, которые идут большей частью параллельно костномозговому
каналу, многократно между собой пересекаясь.
Рис. 5.1. Детали строения костей
Каналы эти служат для питания кости. Они окружены
концентрически расположенными тонкими пластинками гидроокиси
апатита,
внутри
и
снаружи
которых
располагаются
высокоупорядоченные пучки волокон коллагена. Сами пластинки в
свою очередь пронизаны еще более тонкими канальцами.
Наружная поверхность кости, за исключением тех мест, где
расположен суставной хрящ и прикрепляются сухожилия мышц и
связок, покрыта надкостницей.
Состав костной ткани зависит от возраста и типа кости. Как
показывает химический анализ, компактное вещество кости состоит по
массе в среднем на 70–72% из неорганических веществ, а на 20% – из
органических.
3. Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется с помощью прибора УКБ-1М,
предназначенного для измерения времени распространения упругих
ультразвуковых колебаний и затухания их в контролируемых
73
материалах с последующим определением качества материала изделий
по соответствующим корреляционным зависимостям.
Технические характеристики
1. Прибор позволяет измерять время распространения УЗК при
одностороннем и двухстороннем доступе к изделию в пределах от 0
до 5500 мкс.
Диапазон 0–1000 мкс используется для контроля качества на
базах прозвучивания до 5000 мм при скоростях УЗК до 5000 м/с.
Диапазон измерения 1000–5000 мкс используется для определения
времени реверберации УЗК в материале.
2. Пределы измерения времени по шкале плавного отсчета составляют
при положениях переключателя «Множитель»:
«0,5» – от 0 до 50 мкс;
«1» – от 0 до 100 мкс;
«2» – от 0 до 200 мкс;
«5» – от 0 до 500 мкс;
3. Погрешность системы плавного отсчета и ступени «500»
ступенчатого отсчета не превышает 1% от полного значения шкалы.
4. Измерение времени в пределах от 0 до 5000 мкс осуществляется по
шкалам ступенчатого отсчета ступенями через 500 мкс.
5. Погрешность ступенчатого отсчета времени от 1000 до 5000 мкс – не
более 2% от предела соответствующей ступени.
6. Прибор имеет кварцевый калибратор, вырабатывающий метки с
периодом 10, 50 и 250 мкс.
7. Аттенюатор ослабляет входной сигнал на 60 дб ступенями по
(10±2) дБ и на 9 дБ ступенями по 1 дБ.
8. Коэффициент усиления усилителя при соотношении сигнал/шум,
равный 10, составляет 0,3106 .
9. Нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания
усилителя на уровне 0,7 – не более 10 кГц и не менее 200 кГц.
10.Длительность развертки по диапазонам регулируется в пределах
«l» – от 30 до 200 мкс;
«ll» – от 300 до 6500 мкс.
11.Автоматический сигнализатор времени распространения (АСВР)
сигнализирует о совмещении переднего фронта сигнала, прошедшего
через материал, с началом развертки в диапазоне от 12 до 1000
мкс.Минимальный уровень сигнала, необходимый для срабатывания
АСВР, не более 12 мм по экрану ЭЛТ.
74
12.Частота следования импульсов синхронизации в режиме измерения и
АСВР – 50 Гц, в режиме калибровки – 400 Гц.
13.Прибор работает с искательными головками на рабочие частоты 25,
60, 100, 150 кГц.
14.Питание прибора – сеть50 Гц, 220 В±10%.
15.Потребляемая мощность – не более 100 ВА.
16.Масса прибора – не более 15 кг.
Устройство и принцип работы
1. Принцип работы прибора УКБ-1М основан на импульсном
методе
измерения
времени
распространения
ультразвуковых
продольных колебаний при прозвучивании контролируемого изделия.
Структурная схема прибора приведена на рис. 5.2.
2. Прибор состоит из следующих основных узлов:
а) задающего генератора (синхронизатора);
б) генератора импульсов УЗК;
в) аттенюатора с предусилителем;
г) усилителя;
д) мультивибратора ступенчатой задержки запуска развертки;
е) генератора ждущей развертки;
ж) фантастрона плавной задержки запуска развертки;
з) автоматического сигнализатора времени распространения УЗК
(АСВР);
и) генератора калибровочных меток времени;
к) осциллографического индикатора;
л) головок искательных (пьезопреобразователей);
м) блока питания.
Задающий генератор (синхронизатор) вырабатывает импульсы
для запуска ступенчатой или плавной системы задержки запуска
ждущей развертки. Начало развертки является отсчетной точкой для
измерения времени распространения ультразвуковых колебаний в
исследуемом материале.
Синхронизатор содержит кварцевый генератор (КГ) и делители
1:10, 1:100, 1:1000 и формирователь, который запускает генератор
синхроимпульсов СИ.
75
Рис. 5.2. Структурная схема прибора
Одновременно импульсами с выхода генератора синхроимпульсов
(СИ) через линию задержки Л3 «Установка нуля» запускается генератор
УЗК. Электрические импульсы генератора возбуждают искательную
головку на резонансной частоте.
Упругие колебания передающей искательной головки при ее
контакте с поверхностью контролируемого изделия вводятся в данное
изделие (материал).
Прошедшие через изделие упругие колебания, возбуждают
приемную искательную головку и преобразуются в электрические
колебания, последние через аттенюатор поступают на вход
предварительного усилителя. Усиленные колебания подаются на
вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ для визуального наблюдения
и совмещения первого вступления колебаний с началом линии
развертки, а через детектор – на вход АСВР.
76
Прямоугольный импульс схемы плавной задержки (фантастрона)
используется в качестве стробирующего для работы АСВР.
Отрицательный импульс, соответствующий заднему фронту импульса
фантастрона, используется для запуска ждущей развертки.
Начальная длительность импульса фантастрона (при нулевых
установках на шкале плавного отсчета времени распространения)
составляет примерно 10 мкс.
Пилообразное напряжение генератора развертки подается на
горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ.
При измерении времени распространения УЗК свыше 500 мкс
запуск схемы плавной задержки запуска развертки осуществляется
схемой ступенчатой задержки, которая обеспечивает измерение
времени распространения УЗК от 500 до 50 000 мкс ступенями через
500 мкс.
Плавная задержка и ступень «500» ступенчатой задержки
калибруются
кварцевым
калибратором,
вырабатывающим
калибровочные метки времени с периодом следования 10, 50, 250 мкс (в
дальнейшем по тексту именуемые метки 10, 50, 250 мкс). В режиме
калибровки метки времени подаются на вертикально отклоняющие
пластины ЭЛТ.
Способ измерения времени распространения УЗК заключается в
том, что при помощи плавной и ступенчатой задержки запуска
развертки передний фронт (первое вступление) принятых УЗК,
прошедших через изделие, совмещают с началом линии развертки. При
этом суммарная величина введенной задержки по шкалам плавного и
ступенчатого отсчетов равна времени распространения УЗК.
3. Задающий генератор (синхронизатор), вырабатывает импульсы
запуска ступенчатой или плавной задержек запуска развертки и
генератора УЗК. Синхронизатор выполнен по схеме блокинггенератора, синхронизируемого напряжением сети 50 Гц в режиме
измерения и АСВР или импульсами кварцевого генератора с периодом
следования 250 мкс в режиме калибровки.
В последнем случае блокинг-генератор работает как делитель
частоты с коэффициентом деления 10.
4. Схема ступенчатой задержки запуска развертки формирует
импульсы, задержанные относительно импульса задающего генератора
на время от 500 до 5000 мкс и представляет собой ждущий
мультивибратор с высокой стабильностью длительности генерируемых
импульсов. Изменение длительности положительного импульса
осуществляется переключением резисторов и конденсаторов при
помощи переключателя “Отсчет ступенчато”. Отрицательный импульс,
77
получающийся в результате дифференцирования прямоугольного
импульса мультивибратора, используется для запуска схемы плавной
задержки запуска развертки.
5. Схема плавной задержки запуска развертки формирует
импульс, задержанный относительно импульса синхронизатора на
время от 10 до 500 мкс и представляет собой фантастрон. Запуск
фантастрона осуществляется отрицательным импульсом. Длительность
импульса фантастрона регулируется потенциометрами «Начало» и
«Конец».
Выбор
диапазона
осуществляется
переключением
конденсаторов переключателем «Множитель».
Импульс,
соответствующий
заднему
фронту,
после
дифференцирования запускает генератор ждущей развертки.
6. Генератор ждущей развертки собран по схеме генератора
линейно возрастающего напряжения с положительной обратной связью.
7. Генератор
импульсов
УЗК
вырабатывает
импульсы
положительной полярности амплитудой не менее 300 В, возбуждающие
передающую искательную головку. Схема генератора выполнена на
диодных тиристорах.
8. Усилитель предназначен для усиления принятой приемной
искательной
головкой
сигналов.
Усилитель
состоит
из
предварительного усилителя и выходных каскадов. На входе
предварительного усилителя включен аттенюатор «Ослабление дБ». На
выходе
предварительного
усилителя
включен
потенциометр
«Усиление». Выходной каскад выполнен по схеме парафазного
усилителя, с которого сигнал подается на детектор АСВР – и на
вертикально – отклоняющие пластины ЭЛТ через переключатель
«Род работы».
9. АСВР предназначен для автоматической индикации момента
отсчета времени распространения УЗК. АСВР состоит из каскада
совпадения и мультивибратора. При совпадении во времени заднего
фронта строб - импульса и переднего фронта принятого сигнала,
прошедшего через изделие, на выходе схемы совпадения выделяется
отрицательный импульс, который запускает мультивибратор.
Мультивибратор управляет работой реле, которое одной группой
контактов замыкает цепь питания сигнальной лампочки «АСВР», а
второй группой контактов коммутирует исполнительные механизмы.
10.Генератор калибровочных меток предназначен для калибровки
плавного и ступени 500 ступенчатого отсчета времени распространения.
Напряжение кварцевого генератора частотой 100 Гц используется для
запуска блокинг-генератора, работающего в ждущем режиме и
вырабатывающего метки времени с периодом следования 10 мкс. Для
78
получения меток с периодом следования 50 и 250 мкс используются
блокинг-генераторы в режиме деления частоты на 5.
Калибровочные метки времени 10, 50, 250 мкс подаются в режиме
калибровки на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.
11.Осциллографический индикатор Л8 (8Л04И) предназначен для
визуального
наблюдения
преобразованных
импульсов
УЗК,
определения момента отсчета времени распространения и измерения
отношения амплитуды принятых сигналов. Для управления лучом
служат потенциометры «Cмещ.Y» и «Смещ.Х». Для фокусировки,
регулировки яркости, геометрии и астигматизма служат потенциометры
«яркость», «фокусировка» и «астигматизм» соответственно.
12. Головки искательные предназначены для преобразования
электрических импульсов в ультразвуковые упругие колебания, ввода
этих колебаний в исследуемый материал, последующего приема УЗК,
прошедших через изделие, преобразования их в электрический сигнал,
который подается на вход усилителя.
Конструкция прибора
1. Конструктивно прибор УКБ-1М выполнен в виде переносного
блока закрытого металлическим кожухом. На кожухе закреплены скоба
для установки прибора под углом примерно 20°
к опорной
поверхности, амортизационные ножки, а также ручка для переноски.
Задняя крышка прибора съемная.
На лицевой панели прибора размещены основные органы
управления, которые предназначены:
 ручка «Отсчет плавно мкс» – для отсчета по шкалам лимба и
нониуса времени распространения УЗК;
 переключатель «Род работы» – для выбора одного из трех
режимов работы. Измерение – «Измер» или «АСВР». Калибровка –
«Калибр»;
 переключатель «Отсчет ступенчато» – для отсчета времени
распространения в диапазоне 500–5000 мкс;
 переключатель «Множитель» – для выбора одного из четырех
пределов плавного отсчета: «0,5», «1», «2», «5»;
 тумблер «Развертка I, II» – для выбора одного из двух
диапазонов длительности развертки луча ЭЛТ;
 ручка «Развертка плавно» – для плавной регулировки
длительности развертки в пределах выбранного диапазона разверток;
79
 ручки «Ослабление Дб» – для ступенчатого ослабления уровня
сигнала, подаваемого на вход усилителя;
 ручка «Усиление» – для плавной регулировки коэффициента
усиления усилителя;
 ручка «Смещ.Х», «Сеть», «Выкл.» – для включения питания
прибора и для смещения линии развертки по горизонтали;
 ручка «Фокус» – для фокусировки изображения на экране ЭЛТ;
 розетка «Вход усилителя» – для подключения кабеля приемной
искательной головки;
 лампочка «АСВР» – для фиксации момента срабатывания АСВР.
2. На боковой скобе прибора за дверцей расположены следующие
органы управления:
 переключатель «Установка 0» – для компенсации времени
распространения УЗК в защитном слое искательных головок и времени
распространения импульса в кабелях, соединяющих искательные
головки с прибором;
 тумблер «Амплитуда УЗК» –
для измерения амплитуды
импульсов ультразвукового генератора, подаваемых на передающую
искательную головку;
 ручка «Яркость» – для регулировки яркости изображения на
экране ЭЛТ;
 ручки «Астигматизм» и «Геометрия» – для получения четкой и
правильной формы изображения сигнала на экране ЭЛТ;
 потенциометр «Смещ.Y» – для смещения линии развертки на
экране ЭЛТ по вертикали;
 потенциометр «Калибр.500» – для калибровки длительности
ступени 500 мкс ступенчатого отсчета времени распространения.
3. На задней стенке прибора вверху за дверцей расположены
потенциометры «Начало»,
«Конец»,
«0,5»,
«1»,
«2»,
«5»,
предназначенные для регулировки и калибровки системы плавного
отсчета времени по диапазонам переключателя «Множитель»
соответственно.
4. Внизу на задней стенке расположены следующие органы
подключения:
 разъем «~220V» – для подключения кабеля питания;
 колодка «Предохранитель 1А»;
 клемма «Земля» – для подключения провода заземления;
 клемма «Контакты реле АСВР» – для подключения внешних
исполнительных устройств;
80
 розетка «Выход генератора» – для подключения кабеля
передающей искательной головки.
5. Шкальное устройство 7 плавного отсчета времени
распространения УЗК имеет по лимбу 100 делений, оцифрованных
через 10, и на нониусе 10 делений, оцифрованных через единицу.
Каждое оцифрованное деление нониуса разделено на пять равных
интервалов. Цена каждого интервала 0,2.
6. На шкале ЭЛТ нанесены три горизонтальные и одна
вертикальная линии. Две горизонтальные линии шкалы расположены
симметрично от средней на расстоянии 15 мм. На вертикальной линии
имеются две риски, отстоящие от средней горизонтальной линии на 5,3
мм. Таким образом, изменение амплитуды сигнала от верхней
горизонтальной линии до риски на вертикальной линии соответствует
уменьшению сигнала в е раз, где е=2,71 – основание натуральных
логарифмов.
7. Аттенюатор прибора 8 и розетка «Вход усилителя»
изолированы от шасси и соединяются с ним в одной точке.
Генератор УЗК
выполнен отдельно от основной схемы в
экранированном отсеке и закреплен с внутренней стороны на задней
стенке прибора.
На уголке, установленном на верхней стенке прибора, закреплены
потенциометры регулировки ступенчатого отсчета, потенциометры
делителей
частоты,
а
также
потенциометр
регулировки
чувствительности АСВР. Доступ к ним возможен при снятом кожухе
прибора. Доступ к потенциометрам делителей частоты и регулировки
чувствительности через отверстия в кожухе прибора.
8. Большая часть элементов схемы прибора размещена на
печатных платах. Печатные платы закреплены на шарнирах и могут
быть откинуты для проверки и ремонта.
9. Конструкция всех искательных головок одинакова. На рис. 5.3
показана конструкция головки на 60 кГц.
В искательных головках на 25, 60 и 150 кГц в качестве
пьезоэлемента используются пакеты сегнетовой соли размером
40×40×40 мм, 26×26×26 мм и 30×7×20 мм соответственно. В
искательной головке на 100 кГц использована керамика ЦТС диаметром
20 мм и толщиной 3 мм. Пьезоэлемент головки внутри корпуса залит
эпоксидной смолой.
81
Рис. 5.3. Конструкция искательной головки
1 – пьезоэлемент; 2 – демпфер; 3 – протектор;
4 – прослойка контактной смазки;
5 – среда; 6 – корпус; 7 – вывод
4. Указание мер безопасности
При эксплуатации прибора следует соблюдать правила по технике
безопасности, распространяющиеся на работу с электрическими
установками.
5. Порядок работы
1.
После проверки и подготовки прибора к работе по разделу
установить органы управления в следующие положения:
«Развертка I, II»
– «I»
«Развертка плавно»
– крайнее правое
«Род работы»
– «Измер.»
«Отсчет плавно мкс»
–0
«Отсчет ступенчато»
–0
«Амплитуда УЗК»
– «min»
Совместить соосно через слой смазки приемную и передающую
искательные головки. Ручками «Усиление» и «Ослабление дБ»
установить амплитуду первой отрицательной полуволны (первое
вступление) принятого сигнала на уровне нижней горизонтальной
линии шкалы ЭЛТ.
Переключателем «Установка нуля» совместить начало первого
вступления с началом линии развертки (Рис. 5.4). Установку нуля
необходимо производить всякий раз после смены искательных головок.
82
Рис. 5.4. Изображение принятого сигнала
а) и б) варианты неправильной настройки; в)верная настройка
3. Установить переключатель «Множитель» в положение, чтобы
предполагаемая величина времени распространения находилась в
пределах 20–80 делений шкалы плавного отсчета.
Например, производится измерение времени распространения
УЗК в бетонных кубах размером 100×100×100 мм. Время
распространения УЗК примерно 22–26 мкс.
В этом случае переключатель «Множитель» устанавливают в
положение «0,5» (предел измерения от 0 до 50 мкс).
4. Подготовить поверхность контролируемого изделия или
материала, очистить её от неровностей в местах установки искательных
83
головок, нанести тонкий слой контактной смазки, необходимой для
создания акустического контакта. В качестве смазки могут быть
использованы: ЦИАТИМ-201 (в интервале температур от –10°С до
+120°С), солидол, технический вазелин, жидкое мыло и другие вязкие
жидкости.
На рабочую поверхность искательных головок нанести так же
тонкий слой (не более 0,5 мм) используемой смазки. Установить
преобразователи на подготовленные места контролируемого изделия и
прижать их.
5. Установить органы управления прибора в следующие
положения:
«Амплитуда УЗК»
– «max»
«Усиление»
– среднее
«Ослабление дБ»
–0
«Развертка плавно»
– среднее
Тумблер «Развертка I, II» в зависимости от базы прозвучивания
установить в положение «I» или «II». На экране ЭЛТ должно появиться
изображение принятого сигнала (Рис. 5.4).
6. Для отсчета времени распространения необходимо ручкой
«Отсчет плавно мкс» и «Множитель», а при необходимости и «Отсчет
ступенчато», установить фронт первого вступления сигнала вблизи
начала линии развертки.
Тумблер «Развертка I, II» установить в положение «I», ручку
«Развертка плавно» – в крайнее правое положение.
Амплитуду первого вступления сигнала при помощи ручек
«Усиление» и «Ослабление дБ» установить на уровне нижней
горизонтальной риски.
Вращая ручку «Отсчет плавно мкс», совместить первое
вступление сигнала с началом линии развертки (Рис. 5.4). Время
распространения УЗК получается путем умножения показаний шкал
лимба и нониуса на соответствующий множитель диапазона и
прибавления к этому значению величины, набранной переключателем
«Отсчет ступенчато».
Приводим примеры отсчета времени распространения УЗК по
показаниям приборов.
ПРИМЕР 1. В момент совмещения первого вступления сигнала с
началом линии развертки по лимбу отсчитано 40 делений, по нониусу 5
оцифрованных и 3 неоцифрованных делений. Переключатель
«Множитель» установлен в положение «0,5». Время распространения
ультразвуковых колебаний:
t=[40+5+(0,2×3)]×0,5=22,8 мкс
84
ПРИМЕР 2. В момент совмещения первого вступления сигнала с
началом линии развертки по лимбу отсчитано 60 делений, по шкале
нониуса – 8 оцифрованных и 4 неоцифрованных деления.
Переключатель «Множитель» установить в положение «I».
Время распространения УЗК равно:
t=[60+8+(0,2×4)]×1=68,8 мкс
ПРИМЕР 3. Показания по лимбу – 80 делений, но нониусу – 3
оцифрованных и 4 неоцифрованных деления. Переключатель
«Множитель» установлен в положение «5». Переключатель «Отсчет
ступенчато» в положение «500». Время распространения УЗК равно:
t=500+[80+3+(0,2×4)]×5=919 мкс.
7. Пользуясь внутренним кварцевым калибратором прибора,
можно измерить время распространения УЗК с точностью не ниже
±(0,1–0,2 мкс) Для этого необходимо записать время распространения,
отсчитанное по шкале лимба и нониуса или по шкале «Отсчет
ступенчато». Переключить переключатель «Род работы» в положение
«Калибр.» и по положению ближайшей к отсчитанной величине 10 мкс
метке, совмещенной с началом отсчета, снять показания лимба.
ПРИМЕР: На диапазоне множителя «I» отсчитанное время
составляет 48,4 деления. Проверкой калибровки установлено, что пятая
10 мкс метка совмещается с началом линии развертки на делении 50,3.
Измеренная величина времени определяется:
t ИЗМ . 
t ДЕЙСТВ.  t ОТСЧ .
t КАЛ ,
где: tизм. – измеряемое время; tотсч. – отсчитанное время по шкале
плавного отсчета; tкал. – время, откалиброванное по ближайшей 10 мкс
отметке; tдейств.– время в ближайшей калибровочной точке.
t ИЗМ . 
50  48,4
 48,0 мксек
50,3
8. Для отсчета условного времени реверберации сигнала до
уменьшения его в е раз (при огибающей амплитуде в виде экспоненты)
совместить первое вступление сигнала с началом линии развертки и
установить размах максимальной амплитуды начала сигнала в пределах
горизонтальных линий на сетке ЭЛТ. При помощи ручек «Отсчет
ступенчато» и «Отсчет плавно мкс» переместить принятый сигнал в
85
влево по экрану ЭЛТ и совместить амплитуду многократных
отражений, имеющих размах в е раз меньший, с началом линии
развертки по соответствующим рискам, нанесенным на вертикальные
линии сетки ЭЛТ.
ПРИМЕЧАНИЕ: е – основание натуральных логарифмов, равное
2,71.
9. Для определения времени прохождения любой фазы принятого
сигнала, в том числе смещенного максимума сигнала, ручками «Отсчет
ступенчато» и «Отсчет плавно мкс» производится совмещение
интересующей фазы сигнала с началом линии развертки и
отсчитывается время.
Для определения периода колебаний Т основной бегущей волны
принятых сигналов ручкой «Отсчет плавно мкс» совмещают вершину
синусоидального колебания с началом линии развертки и отмечают
время t1 по шкале плавного отсчета. Переместив ручкой «Отсчет
плавно мкс» n периодов по экрану ЭЛТ влево, отсчитать время t1
Период Т определяется из выражения:
t 2  t1
Т
мксек
n
ПРИМЕР: В момент совмещения вершины выбранной
амплитуды сигнала с началом линии развертки на шкале лимба было 60
делений, на шкале нониуса – 6 оцифрованных делений и 4 –
неоцифрованных. Переключатель «Множитель» находится в положении
«2». После прохождения 4-х периодов на шкале лимба отсчитано 90
делений, а по нониусу – 5 оцифрованных делений и 3 неоцифрованных.
Период колебаний равен:
Т=[(90+5+(0.2×3))×2 – (60+6+(0.2×4))×2]/4
10.Измерение ослабления принятого сигнала производится при
установке искательных головок в различных местах контролируемого
изделия при неизменном расстоянии (базе) между ними.
Первое вступление принятого не ограниченного сигнала ручками
«Усиление» и «Ослабление дБ» установить на уровне нижней
горизонтальной
линии
шкалы
ЭЛТ.
Записать
положение
переключателей «Ослабление дБ». Установить искательные головки в
другом месте изделия той же толщины и переключателями «Ослабление
дБ» вновь привести первое вступление к нижней горизонтальной линии
шкалы ЭЛТ.
Положение ручки «Усиление» при этом не изменится.
86
Разность показаний переключателей «Ослабление дБ» в первом и
во втором случаях дает величину затухания (дБ) УЗК во втором сечении
относительно первого.
11. Для измерения времени распространения УЗК с
использованием системы АСВР необходимо ручку «Род работы»
установить в положение «АСВР». Амплитуду первого вступления
сигнала ручками «Усиление» и «Ослабление дБ» установить на уровне
нижней горизонтальной линии шкалы ЭЛТ.
Ручкой «Отсчет плавно мкс» перемещать сигнал к началу линии
развертки до тех пор, пока не загорится лампочка «АСВР». Момент
загорания лампочки фиксирует момент отсчета времени. Для
определения истинного времени распространения УЗК необходимо из
полученного результата вычесть поправку на уровень срабатывания
АСВР, которая определяется как время между моментом смещения
первого вступления сигнала с началом линии развертки и моментом
загорания лампочки АСВР.
6. Программа работы
1. Изучить структурную схему прибора.
2. Определить время распространения УЗК в образцах, изготовленных
из алюминия, стали, графита, дерева.
3. Измерить штангенциркулем длину соответствующих образцов и
вычислить скорость УЗК в них.
4. Сравнить полученные результаты с данными приведенными в
справочниках.
7. Содержание отчета
1. Цель лабораторной работы.
2. Методы измерения плотности веществ.
3. Структурную схему прибора и описание по ней принципа работы
прибора.
4. Таблицы результатов измерений и вычисление скорости УЗК в
образцах.
5. Выводы по проделанной работе.
6. Ответы на контрольные вопросы.
87
7. Контрольные вопросы
1. На чем основана диагностика состояния костной ткани при
использовании УЗК?
2. Как зависит скорость ультразвука в твердых телах от физических
параметров твердого тела?
3. Как измеряется время распространения УЗК в изделиях прибором
УКБ-1?
4. Какова конструкция искательных головок используемых в приборе
УКБ-1?
5. Какую функцию выполняет кварцевый генератор в приборе УКБ-1?
6. Какие вы знаете методы измерения временных интервалов?
7. Как определяется время прохождения акустического импульса от
излучателя до приемника в приборе УКБ-1М?
8. Какую функцию в приборе УКБ-1М выполняет кварцевый
генератор?
9. В чем достоинство использования УЗК для диагностики состояния
костных тканей?
10. Зачем применяется иммерсионная смазка при размещении
искательных головок?
88
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА КРОВИ
1. Цель работы
Ознакомление студентов с эффектом Доплера, относительная
оценка ими потока крови по измерительному прибору и по звуковому
восприятию посредством громкоговорителя индикатора потока крови
ИПК-1.
2. Краткие теоретические сведения
Если ультразвуком облучать движущийся отражатель, то частота
отраженного сигнала будет отличаться от частоты излученного. Это
явление называют эффектом Доплера, а величину изменения частоты,
пропорциональную скорости движения отражателя – доплеровским
сдвигом. Для многих физиологических процессов в организме человека
характеризуемых движением, величина доплеровского сдвига находится
в диапазоне звуковых частот. Это привело к созданию простых
индикаторов пульса или скорости кровотока, в которых доплеровский
сигнал подается в наушники или громкоговорители. Оператор с
помощью такого прибора может на слух определить наличие
перемещения какого-либо отражателя (или рассеивателя) на пути
ультразвукового пучка, получить информацию о характере этого
движения, позволяющую диагностировать некоторые заболевания,
определять внутриутробное сердцебиение плода, вибрации стенок
сосудов и др.
Наибольший интерес представляет решение задачи регистрации и
измерения параметров кровотока, при котором ультразвук рассеивается
на форменных элементах крови.
Диагностические возможности ультразвуковых измерителей
скорости кровотока весьма широки. В настоящее время доплеровские
методы позволяют измерить не только среднюю скорость кровотока, но
также и определить распределение скорости по сечению сосуда,
профиль скоростей, обнаружить участки сужения кровеносных сосудов
по ускорению кровотока, зарегистрировать кривую скорости
артериального кровотока, используемую для диагностики заболеваний
сосудов.
В настоящее время в медицине используется широкий спектр
приборов, основанных на использовании эффекта Доплера. С помощью
89
доплеровских приборов вычисляются объемный расход истока крови,
контролируется работа сердечных клапанов, диагностируются
закупорки сосудов, регистрируется направление кровотока. Широкому
внедрению ультразвуковых доплеровских методов в медицинскую
диагностику способствует бурный прогресс в техническом обеспечении
метода, в частности совершенствование систем ввода и обработки
отображаемой информации.
Теоретические основы использования эффекта Доплера
Если источник излучения и приемник движутся вдоль одной
прямой со скоростями соответственно Vs и Vr , то частота сигнала на
приемнике определяется выражением:
fr 
(ñ  Vr ) f s
,
ñ  Vs
(6.1)
где fs – частота колебаний источника, с – скорость распространения
излучения.
Отсюда получаем выражение для доплеровского смещения:
 C  Vr

f d  ( f r  f s )  
 1 f s ,
 C  Vs

(6.2)
В ультразвуковой доплеровской локации обычно имеются
неподвижный излучатель, неподвижный приемный преобразователь и
движущийся отражатель.
При измерении скорости кровотока ультразвук рассеивается на
флуктуациях плотности и сжимаемости, и принятый сигнал можно
вычислить как сумму сигналов от всех элементов крови на пути
ультразвукового пучка.
На рис. 6.1 показан случай одного рассеивателя, движущегося со
скоростью V. Поскольку направление распространения падающей и
рассеянной волн не совпадает с направлением движения элемента
крови, уравнение (6.2) нельзя использовать непосредственно –
необходимо заменить Vs и Vr составляющими этих скоростей вдоль
направления приема и излучения. В этом случае, получаем следующее:
90
 C  V cos  r

f d  
 1 f 0 ,
 C  V cos t

(6.3)
где Θt и Θr – углы между вектором скорости и направления излучения и
приема соответственно, f0 – частота излучения.
Передающий
преобразователь
Приемный
преобразователь

t

r
Рассеиватель
Рис. 6.1. Схема распространения ультразвуковых пучков
в системе доплеровского контроля
Поскольку с ≈ 1500 м/с, а скорость V ≤ 1 м/с, справедливо
приближение V << c; при этом
f 0V
(cos  r  cos t ) 
c
2 f V     t 
   t
  0 cos r
  cos r
c  
2 
 2
fd  
2f V

 
   0 cos   cos 
C

2
,
(6.4)
где   t  r  / 2 есть угол между вектором скорости и биссектрисой
угла между направлением излучения и приема,   t  r – угол между
самими этими направлениями.
Обычно в зонде (датчике) совмещаются передающий и приемный
преобразователь как это показано на рис. 6.2. При этом биссектриса
угла совпадает с осью «измерительного объема», т.е. области
перекрытия двух пучков. Зачастую  / 2 – достаточно малый угол, так
что приблизительно cos( / 2)  1 , и поэтому из (6.4) получаем
fd  
2 f0
cos  .
C
91
(6.5)
Зонд
φ
Q
Приемный
преобразователь
Передающий
преобразователь
Измерительный объем
Θ
Q
Рассеиватель
Рис. 6.2. Зонд
Выражения (6.4) и (6.5) показывают, что:
1. Частота доплеровского сдвига f d пропорциональна частоте
излучения. Увеличение затухания и возрастание мощности рассеянного
сигнала с ростом частоты и ширины пучка делает оптимальным выбор
диапазона f 0  2  20 МГц. При этом частоты доплеровского сдвига
находятся в звуковом диапазоне;
2. f d
пропорциональна скорости движения отражателя
(рассеивателя);
3. f d обратно пропорциональна скорости ультразвука в
биологической ткани;
4. f d зависит от углов, образуемых вектором скорости с
0
направлениями излучения и приема; в частности, при   90 , f d  0 .
Ультразвуковые доплеровские диагностические устройства
Ультразвуковые доплеровские диагностические приборы можно
условно разделить на две группы: доплеровские приборы непрерывного
92
излучения
и
импульсно-доплеровские
приборы.
Блок-схема
простейшего доплеровского прибора непрерывного излучения (ДПНИ)
представлена на рис. 6.3.
Усилитель
ВЧ
Генератор
Смеситель
УНЧ и
полосовой фильтр
Частотомер
Зонд
Громкоговоритель или
наушники
Самописец
Кровеносный сосуд
Измерительный объем
Рис. 6.3. Доплеровский прибор непрерывного действия
Передающий
преобразователь
(излучатель)
соединен
с
генератором, работающим в диапазоне 2–20 МГц, и непрерывно
излучает ультразвуковой пучок. Ультразвук рассеивается и отражается,
а затем принимается приемником, усиливается и перемножается с
сигналом генератора. Излученный сигнал представляет собой
гармоническую волну
xt (t )  cos 0t ,
(6.6)
а сигнал, принятый от единичного отражателя, можно представить в
виде
xr (t )  cos0  d t  1  ,
(6.7)
где 0  2f 0 , d  2f d , а 1 – величина фазы, определяемая
расстоянием до рассеивателя и фазового сдвига в приемном тракте.
Тогда сигнал на выходе перемножителя будет иметь вид
93
1
cos(d t  1 )  cos(20t  d t  1 ) .
2
(6.8)
Второй член этого выражения имеет удвоенную частоту и
отфильтровывается полосовым фильтром. Остается лишь доплеровский
сигнал, т.е. сигнал с частотой доплеровского сдвига:
xd (t ) 
1
cos(d t  1 ) .
2
(6.9)
После усиления и фильтрации в соответствующей полосе частот
доплеровский сигнал поступает на наушники, громкоговоритель или на
частотомер.
Ультразвуковой
сигнал,
воспринимаемый
приемным
преобразователем, содержит не только сигналы, рассеянные на
форменных элементах крови, но и сигналы гораздо большей амплитуды,
отраженные от других структур, таких как границы жировой и
мышечной ткани или стенки сосудов. Такие сигналы обычно на 40–
50дБ превышают сигналы от кровотока, и это соотношение может быть
еще большим при локации глубоко залегающих сосудов. Кроме того,
эти мощные сигналы сами могут обладать низкочастотным
доплеровским сдвигом, вызванным движением окружающих структур
(например, движением пульсирующих артерий) или случайными
смещениями зонда в руке оператора относительно неподвижных
отражателей. Чтобы подавить эти мощные низкочастотные
доплеровские сигналы, в усилитель низкой частоты (УНЧ) вводят
фильтры верхних частот. Фильтрация необходима на входе усилителя
или после небольшого предусиления, иначе сигналы будут смешиваться
в усилителе. Неизбежный побочный эффект такой фильтрации – потеря
низкочастотных доплеровских сигналов от медленного кровотока.
Чтобы ограничить ширину полосы УНЧ и тем самым свести к
минимуму мощность флуктуационного шума, в усилитель вводят
фильтры нижних частот, верхняя частота среза которых
устанавливается равной максимальной ожидаемой доплеровской
частоте, поскольку излишнее увеличение частоты среза может привести
лишь к росту уровня шума.
Т.к. внутри измерительного объема существует распределение
скоростей кровотока в поперечном сечении сосуда, т.е. рассеиватели
могут двигаться с разными скоростями, доплеровский сигнал
представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов, частота
94
каждого из которых соответствует скорости конкретного рассеивателя.
Суммарный доплеровский сигнал при этом имеет сплошной спектр, а
частотомер будет показывать лишь среднюю из этих частот. Если угол
Θ известен, то, используя уравнение (6.4) или (6.5), можно
преобразовать измеренную среднюю частоту в скорость. Эта скорость
есть средневзвешенное по линиям тока, проходящим через
измерительный объем. Вклад каждой линии тока в среднюю скорость
пропорционален мощности ультразвука, рассеянной элементами крови
вдоль данной линии, т.е. интегралу по линии тока от чувствительности в
пучке (зависимости величины сигнала, принятого от точечного
рассеивателя, от координат этого рассеивателя).
Если этот интеграл не изменяется по сечению сосуда, то
измеренная скорость – средняя по пространству скорость кровотока.
Условие
постоянства
интеграла
часто
называют
условием
равномерности
облучения,
что
подразумевает
постоянство
интенсивности излучения по сечению сосуда, хотя в действительности
это условие является более строгим.
Описанный выше прибор не позволяет выделять направление
кровотока. Из выражений (6.4) и (6.5) следует, что доплеровское
смещение положительно, если составляющая вектора скорости
направлена к зонду, и отрицательно, если от зонда. Однако этот
простейший прибор не сохраняет информацию о направлении
кровотока, а дает лишь величину сдвига частоты. Информация о
направлении необходима, чтобы следить за изменением скорости
кровотока в течение кардиоцикла в тех сосудах, где возникает обратный
кровоток, или если направление кровотока несет диагностическую
информацию, например при исследовании вен при недостаточности
сердечных клапанов.
Информацию о направлении можно сохранить различными
способами. Соответствующие устройства представлены на рис. 6.4.
В первом из них (рис. 6.4, а) принятый высокочастотный сигнал
пропускается через два фильтра, один из которых отсекает частоты
ниже частоты излучения и пропускает сигналы с положительным
доплеровским сдвигом вплоть до максимальной угловой частоты m , а
другой пропускает сигналы с отрицательным доплеровским сдвигом.
Как и ранее, сигналы с выхода каждого из фильтров поступают на
перемножители и усилители низкой частоты.
В устройстве, показанном на рис. 6.4, б, принятый сигнал
перемножается с опорным сигналом, смещенным на 1 относительно
частоты излучения.
95
От генератора 0
Полосовой
фильтр
Х
УНЧ и
полосовой
фильтр
Положительное
доплеровское
смещение
УНЧ и
полосовой
фильтр
Отрицательное
доплеровское
смещение
От приемного
усилителя
Полосовой
фильтр
Х
а
0+ 1
От приемного
усилителя ВЧ
Усилитель,
полосовой
фильтр и
режекторный
фильтр (ω1)
Х
Доплеровские
сигналы,
сдвинутые
на 1
б
0
От приемного
усилителя ВЧ
УНЧ и
полосовой
фильтр
Х
i(t)
синфазный
Доплеровские
сигналы
+900
УНЧ и
полосовой
фильтр
Х
q(t)
квадратурный
в
Рис. 6.4. Методы выделения информации о направлении потока:
фильтрация боковых полос (а); демодуляция со сдвигом
несущей частоты (б); квадратурная демодуляция сигналов (в)
96
Спектр доплеровских сигналов при этом оказывается смещенным
относительно истинного на величину 1 : при этом сдвиг  d выглядит
как 1  d , а сдвиг  d как
1  d . Направление кровотока
определяется взаимным расположением доплеровского сдвига и
частоты смещения 1 . Очевидно, частота 1 должна быть выбрана выше
наибольшего отрицательного доплеровского сдвига, а фильтр,
отсекающий мощные паразитные сигналы, преобразуются здесь в
полосовой режекторный фильтр с центральной частотой 1 .
Третья возможность построения прибора представлена на рис. 6.4,
в. В этом случае принятый сигнал поступает на два перемножителя, на
одном из которых опорный сигнал сдвинут на 90° относительно
другого. Для первого перемножителя опорный сигнал можно
представить в виде cos(0t), для второго – в виде -sin(0t). При этом
синфазный сигнал i(t) аналогичен (6.9):
i (t ) 
1
cos(d t  1 ) ,
2
а квадратурный сигнал описывается выражением
1
q(t )  sin( d t  1 ) .
2
Знак доплеровского сдвига, а значит, и направление кровотока
определяется по соотношению фаз i(t) и q(t). Если сдвиг d
положителен, то квадратурный сигнал отстает на 90° от синфазного, а
если сдвиг d – отрицателен, то опережает его.
Импульсно-доплеровский измеритель скорости кровотока
Наиболее существенное ограничение ДПНИ – отсутствие
пространственного
разрешения,
т.е.
возможности
разделить
доплеровские сигналы из различных точек в пределах пучка. Если на
пути пучка находятся два сосуда, то доплеровский сигнал представляет
собой смесь сигналов от обоих сосудов. Невозможно также разделить и
скорости в различных точках одного сосуда, т.е. измерять профиль
скоростей.
Для решения этой задачи был создан импульсный измеритель
скорости кровотока, блок-схема которого представлена на рис. 6.5.
97
Генератор
Времязадающие цепи
Ключ
Задержка
Усилитель
ВЧ
Смеси
тель
Частотомер
Кровеносный сосуд
УНЧ и полосовой
фильтр
Громкоговоритель
или
наушники
Самописец
Измерительный объем
Рис. 6.5. Одноканальный импульсно-доплеровский прибор
Пространственное
разрешение
достигается
благодаря
периодическому излучению короткого (несколько колебаний) импульса
ультразвука (частота повторений импульсов задается синхронизатором,
а канал излучения открывается на время импульса) и использованию
смесителя, в котором опорным сигналом служит задержанный во
времени излученный сигнал (или эквивалентная «выборка» из
принятого сигнала). Т.к. излучение и прием разнесены во времени, в
зонде можно использовать один преобразователь. Такое устройство
чувствительно к кровотоку лишь внутри некоторой области в пучке (в
измерительном объеме). При этом время распространения излученного
импульса до этого объема и обратно равно задержке между выборками
излученного и принимаемого сигналов.
Таким образом, простым изменением задержки измерительный
объем можно перемещать вдоль оси пучка и использовать это для
раздельного наблюдения кровотока на различных глубинах или в
различных точках по сечению сосуда. Ширина измерительного объема
определяется шириной пучка, а длина – длительностью излучаемого
импульса и временными характеристиками импульса, длительностью
опорного импульса и временными характеристиками схемы смесителя.
Следует отметить, что понятие «измерительный объем» довольно
98
расплывчато. Поперек пучка и вдоль его оси чувствительность меняется
постепенно, поэтому нельзя установить четкие границы измерительного
объема, вне которого прибор полностью нечувствителен к кровотоку, а
внутри чувствительность постоянна. Границы измерительного объема,
показанные на рисунках 6.3, 6.2 больше соответствуют линиям равной
чувствительности.
Средняя частота, измеренная импульсно-доплеровским прибором,
– это среднее взвешенное значение по скоростям на линиях тока,
проходящих через измерительный объем.
Описанный выше прибор – одноканальный, т.е. с одним
измерительным объемом. Профиль скоростей в таком приборе
измеряют, последовательно перемещая измерительный объем вдоль оси
пучка и поперек кровеносного сосуда. Чтобы ускорить процесс съема
информации, можно разработать прибор с несколькими одновременно
выставляемыми измерительными объемами; каждый из них будет иметь
свою задержку опорного сигнала, смеситель УНЧ, причем положение
измерительных объемов будет определяться задержкой.
3. Описание лабораторной установки
В
лабораторной
работе
используется
выпускаемый
промышленностью индикатор потока крови ИПК-1.
Индикатор потока крови ИПК-1 предназначен для относительной
оценки потока крови по измерительному прибору и по звуковому
восприятию посредством головных телефонов или громкоговорителя.
Индикаторы поставляют группы Ш по ГОСТ 9763-67.
Питание индикатора осуществляется от встроенной батареи
гальванических элементов или источника питания напряжением 12 В.
Технические данные
1. Габаритные размеры индикатора не более:
 длина – 290 мм;
 ширина – 80 мм;
 высота – 132 мм.
2. Масса индикатора – не более 3,5 кг.
3. Электрическая мощность, потребляемая при установившемся
режиме, не более 500 мВт.
4. Рабочая частота индикатора находится в пределах 9,6±0,1МГц.
5. Активная мощность, выделяемая на ненагруженном датчике,
находится в пределах 50–100 мВт.
99
6. Диапазон индикации доплеровских частот 0–10 кГц разбит на 4
поддиапазона с пределами 1, 2, 5 и 10 кГц.
7. Нелинейность показания измерителя частоты индикатора на каждом
пределе – не более ± 10%.
8. Приведенная погрешность измерения доплеровских частот – не
более ± 20%.
9. Время самопрогрева индикатора – не более 5мин.
10.Чувствительность приемной части индикатора при номинальной
выходной мощности 0,1 Вт – не менее 200 мкВ при отношении
сигнал/шум не менее 3.
11.Электроакустический коэффициент преобразования напряжения
излучаемой частоты и напряжение доплеровской частоты при
скорости потока жидкости 0,5 м/с и внутреннем диаметре сосуда 20
мм, при толщине облучаемой стенки не более 0,5 мм на нагрузке 10
Ом – не менее 0,7.
12.Постоянная времени цепи выдачи сигнала на самописец при
включении кнопок «АРТЕРИЯ-1», «АРТЕРИЯ-2», «ВЕНА-1»,
«BЕHA-2» должна быть соответственно в пределах 22 мс ± 20%, 47
мс ± 20%, 100 мс ± 20%, 220 мс ± 20%. Индикатор допускает
непрерывную работу от внутреннего источника питания в течение не
менее 8 часов.
13.Наработка на отказ Т при доверительной вероятности p=0,8
не менее – 1000 ч.
14.Среднее время восстановления Тв при доверительной вероятности
p=0,8 не более – 2,5 ч.
15.Коэффициент готовности Кг – не менее 0,9.
Устройство и работа индикатора
Функциональная схема индикатора приведена на рис. 6.6.
Индикатор состоит из следующих функциональных узлов:
a) генератора;
б) усилителя высокой частоты (УВЧ);
в) детектора;
г) предварительного усилителя низкой частоты (УНЧ);
д) усилителя-ограничителя (УО);
е) частотных детекторов (ЧД);
ж) согласующих усилителей (УС);
з) оконечного усилителя низкой частоты (УНЧ);
и) измерительного прибора (ИП);
к) громкоговорителя (Гр);
100
л) автономного источника питания (АИП).
Генератор
ЧД
УС
ЧД
УС
У–О
«Выход»
АИП
Да
т
чи
к
УВЧ
Детектор
Предварительный УНЧ
Оконечный
УНЧ
Рис. 6.6. Функциональная схема индикатора потока крови (ИПК-1)
Индикатор выполнен в виде портативного прибора. На передней
панели индикатора расположены:
а) гнездо подключения датчиков «ДАТЧИК»;
б) гнездо подключения телефонов « »;
в) гнездо подключения внешних источников питания «+12В», «+6В»;
г) гнездо подключения самописца
;
д) ручка регулирования громкости громкоговорителя « »;
е) ручка регулирования амплитуды выходного сигнала на самописце
;
ж) измерительный прибор;
з) громкоговоритель;
и) кнопки управления пределами измерительного прибора и проверки
напряжения питания;
к) кнопки управления сглаживающими цепочками выходного сигнала
самописца.
Работа прибора основана на эффекте Доплера, заключающимся в
следующем: при изменении расстояния между передатчиком и
приемником частота принимаемых колебаний отличается от частоты
излучаемых, причем изменение частоты прямо пропорционально
скорости изменения расстояния.
В приборе ИПК-1 изменение расстояния происходит в результате
отражений от неоднородностей движущейся в сосудах крови.
101
Прибор работает следующим образом. Электрические колебания,
вырабатываемые генератором, преобразуются в акустические
передающим пьезоэлементом датчика. Отраженные акустические
колебания преобразуются в электрические приемным пьезоэлементом и
усиливаются УВЧ для нормальной работы детектора. В детекторе
разность частот, определяющая скорость кровотока выделяется, затем
усиливается и поступает на частотомер в усилитель громкоговорителя
для слухового контроля шума кровотока.
В данной схеме детектор выполняет роль смесителя. Усилительограничитель служит для устранения зависимости показаний
частотомера от амплитуды сигнала. Для разделения цепей
измерительного прибора и самописца, отвечающих различным
требованиям, применено два частотных детектора.
4. Указание мер безопасности
1. Во избежание вредного действия ультразвука ив сетчатку глаза
датчик к глазу не подносить и кровоток в области главного яблока не
измерять.
2. При эксплуатации прибора следует соблюдать правила по технике
безопасности, распространяющиеся на работу с электрическими
установками.
5. Программа работы
1. Изучить структурную схему индикатора потока крови ИПК-1.
2. С помощью штекера подать на прибор постоянное напряжение +12 В
от источника питания.
3. Повернув ручку
до щелчка вправо, включить прибор.
4. Нажатием кнопки «Vпит» проверить напряжение питания. Стрелка
измерительного прибора должна установиться в пределах
затемнённого сектора.
5. Нажать кнопку множителя шкалы прибора «X1».
6. Регулятор громкости повернуть в крайнее правое положение.
7. Пьезокерамический датчик ДПК-15, смоченный вазелином,
установить над исследуемым сосудом таким образом, чтобы
пьезоэлементы датчика располагались перпендикулярно движению
крови в сосуде.
8. Регулятором громкости установить необходимую громкость.
102
9. Если стрелка измерительного приборе заходит за пределы шкалы, то
нажмите кнопку «Х2» или «Х5».
10.Определить частоту доплеровского сдвига fd для шейной артерии и
вен на правом и левом запястье. Относительная скорость потока
крови определяется по величине отклонения стрелки измерительного
прибора, а также по характеру звучания громкоговорителя. Чем
выше скорость, тем более высокие тона имеет звучание.
6. Содержание отчета
1.
2.
3.
4.
Цель и ход работы.
Описание структурной схемы прибора.
Сравнение экспериментальных данных для артерии и вены.
Ответы на контрольные вопросы.
7. Контрольные вопросы
1. В чём состоит эффект Доплера? Поясните на примере с
использованием прибора ИПК-1.
2. Что такое доплеровское смещение? В каких пределах оно
находится?
3. Каким образом в приборе осуществляется выделение частоты
доплеровского сдвига?
4. Какой тип УЗ датчиков используется в лабораторной работе?
Приведите его конструкцию.
5. Какое вещество и почему используется в работе в качестве
иммерсионной жидкости, и каково его назначение?
6. В чём заключается главный недостаток прибора ИПК-1?
7. Как будет различаться характер звучания громкоговорителя, если
измерять скорости кровотока в сосудах большого и малых
диаметров?
103
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ
1. Цель работы
Ознакомление студентов с режимами и параметрами воздействий,
применяемых при ультразвуковых терапевтических процедурах с
помощью аппарата для ультразвуковой терапии УЗТ-1.07Ф.
2. Краткие теоретические сведения
Ультразвуковая терапия – это применение с лечебной целью
механических колебаний высокой частоты (oт 20 до 3000 кГц).
Механические колебания таких частот вызывают в тканях сложные
физико-химические процессы. В результате сменяющих друг друга
положительного и отрицательного давлений, ведущих к сжатию и
растяжению тканей, происходит внутритканевое перемещение частиц,
которое сопровождается трением и изменением их электрического
состояния. В результате активирования биохимических процессов, в
частности обмена веществ, по всей толще мягких тканей в области
воздействия расширяются кровеносные сосуды, в них усиливается
кровоток,
возбуждаются
нервные
структуры,
активируются
репаративные процессы. При правильных дозировках ультразвук
оказывает болеутоляющее, рассасывающее, спазмолитическое и
выраженное противовоспалительное действие, которое обусловлено
тепловым эффектом, а также значительным ускорением скорости кровои лимфотока. Ультразвук оказывает выраженное влияние на систему
соединительной ткани, в результате чего при хронических
воспалительных процессах предотвращается образование спаек и
рубцов, размягчается грубоволокнистая ткань, повышается её
эластичность. Эти качества лежат в основе лечебного применения
ультразвука при спаечных и рубцовых процессах, контрактурах,
анкилозах.
Целесообразно применять малые интенсивности 0,05–0,7 Вт/см2 с
преобладанием импульсных воздействий и коротких экспозиций
(ультразвук
действует
как
катализатор
физико-химических,
энзиматических и трофических процессов, лежащих в основе активации
саногенеза). Воздействие осуществляют через маслянистую либо через
водную среду.
104
Благодаря меньшей суммарной мощности ультразвука в
импульсном режиме на организм оказывается наиболее мягкое,
щадящее воздействие, с наименьшим эффектом теплообразования.
Кроме интенсивности, процедуры дозируются также по времени.
Продолжительность воздействия на каждое поле составляет 3–5 минут,
общая продолжительность процедуры от 6 до 10–15 минут.
Фонофорез – сочетание ультразвука с введением лекарственных
косметических средств в ткани. В результате сочетания действия
фонофореза и различных терапевтических эффектов ультразвуковое
лечебные воздействие усиливается. С их помощью проводится лифтинг,
лечение купероза, угревой сыпи, лечение рубцов, растяжек,
пигментации, коррекция мимических морщин, целлюлита. Он
необходим для рассасывания послеоперационных уплотнений,
восстановления чувствительности и кровоснабжения в травмированных
тканях.
При проведении ультразвуковой терапии может быть
использована стабильная (фиксированное положение излучателя) и
лабильная (перемещение излучателя в зоне воздействия) методики. В
непрерывном режиме генерируется поток ультразвуковых волн на
протяжении всего времени воздействия. Импульсный режим
предусматривает применение импульсов ультразвука с частотой 50 Гц и
длительностью 2, 4 и 10 мс.
Поглощение ультразвука патологическими тканями зависит от их
акустических свойств и частоты ультразвуковых колебаний.
Интенсивность ультразвука частотой 800–900 кГц уменьшается
примерно вдвое в мягких тканях на глубине 4–5 см, а при частоте около
3000 кГц – на глубине 1,5–2 см. Жировая ткань поглощает ультразвук
примерно в 4 раза, мышечная – в 10 раз, а костная – в 75 раз сильнее,
чем кровь (см. таблицу 5.2). Наиболее сильное поглощение ультразвука
наблюдается на границе тканей, обладающих разными акустическими
свойствами (кожа – подкожная клетчатка, фасция – мышца,
надкостница – кость). Поглощение ультразвука заметно меняется при
изменении состояния ткани в связи с развитием в ней патологического
процесса (отек, инфильтрация, фиброз и др.).
Первичный эффект действия ультразвука проявляется влиянием
на тканевые и внутриклеточные процессы; изменение процессов
диффузии и осмоса, проницаемости клеточных мембран, интенсивности
протекания ферментативных процессов, окисления, кислотнощелочного равновесия, электрической активности клетки.
Под влиянием ультразвука повышается проницаемость стенок
сосудов, поэтому воздействие ультразвука на ткани, находящиеся в
105
состоянии воспаления с выраженными экссудативными явлениями,
может вызвать ухудшение течения патологического процесса. Это
следует учитывать при ультразвуковой терапии острых воспалительных
заболеваний. В то же время, отмечено рассасывающее действие
ультразвука на продуктивное воспаление, что позволяет применять его
при разрешающихся подострых и хронических воспалительных
процессах. Установлено выраженное спазмолитическое действие
ультразвука, на чем основано его применение в лечебных целях при
бронхоспазмах, дискинезиях кишечника, спазмах мочевого пузыря,
почечной колике и др.
Одним из специфических свойств ультразвука является
«разволокняющее» действие, которое способствует менее грубому
рубцеванию и приводит, в известной мере, к рассасыванию
(размягчению) уже сформировавшейся рубцовой ткани, вследствие
расщепления пучков коллагеновых волокон на отдельные фибриллы, их
отделения от аморфного цементирующего вещества соединительной
ткани. На этом основано применение ультразвука при заболеваниях и
повреждениях опорно-двигательного аппарата, нервов, а также
рубцовых и спаечных процессах после оперативных вмешательств и
воспалительных заболеваний.
Относительно
небольшие
дозы
ультразвука
оказывают
стимулирующее влияние на процессы регенерации в различных тканях;
большие дозы угнетают эти процессы. Действие ультразвука на
организм больного характеризуется также и эффектом, который
связывают с торможением и блокированием проведения болевого
импульса в нервных клетках специальных ганглиев и по нервным
волокнам. Этот эффект лег в основу применения ультразвуковой
терапии
при лечении заболеваний и патологических состояний,
сопровождающихся выраженным болевым синдромом (невралгии,
остеохондроз, миозит и др.).
Совокупность ответных реакций организма пациента на действие
ультразвука включает как местные тканевые изменения (активацию
ферментативных и трофических процессов, микроциркуляции,
стимуляцию регенерации и др.), так и сложные нейрогуморальные
реакции. Происходит стимуляция адаптивных и защитных механизмов,
повышение неспецифической резистентности организма, активация
механизмов восстановления и компенсации.
Для обеспечения акустического контакта с ультразвуковой
головкой аппарата кожу в области воздействия перед процедурой
смазывают контактным веществом (вазелиновым, растительным
маслом, лекарственной смесью). Воздействие на кисти, стопы,
106
лучезапястные, локтевые, голеностопные суставы проводят, погрузив
их в ванночку с водой (t =32–36°С).
Обычно применяют лабильную методику воздействия, при
которой ультразвуковую головку медленно перемещают по коже; при
проведении процедуры в воде соответствующие движения излучателем
проводят на расстоянии 1–2 см от поверхности кожи.
Ультразвуковое воздействие осуществляют на соответствующие
участки поверхности тела (так называемые поля), площадь каждого из
них составляет 150–250 см2. При первых процедурах воздействуют на
1–2 поля, при хорошей переносимости начиная с 3–4-й процедуры
количество полей можно увеличить до 3–4. Продолжительность
воздействия на 1 поле от 2–3 мин до 5–10 мин, а длительность всей
процедуры не более 12–15 мин. Процедуры проводят ежедневно или
через день, на курс назначают от 6 до 12 процедур.
Противопоказаниями для проведения ультразвуковой терапии
являются болезни крови, острые воспалительные процессы,
психические заболевания, тяжелые формы неврозов, выраженный
церебральный атеросклероз, диэнцефальные кризы, ИБС с наличием
стенокардии, инфаркт миокарда, гипертоническая болезнь выше II
стадии, вегетативная дистония с наличием артериальной гипотензии,
выраженные проявления сердечнососудистой и легочно-сердечной
недостаточности, тиреотоксикоз, тромбофлебит, склонность к
кровотечениям, новообразования.
Ультразвуковая терапия постоянно пополняется новыми
методами. Показана возможность увеличения радиочувствительности
опухолевой ткани в результате предварительной обработки
ультразвуком необходимой интенсивности. Перспективно применение
фокусированного ультразвука, позволяющего локально разрушать
патологически измененные структуры, лежащие в глубине здоровых
тканей, раздражать кожные и глубинные воспринимающие нервные
структуры и др.
Действие ультразвука на организм при контактной его передаче
зависит от мощности ультразвуковых колебаний, их частоты,
длительности действия, способа излучения ультразвуковой энергии
(непрерывного, импульсного), чувствительности тканей, интенсивности
кровоснабжения и состояния метаболизма в тканях. Распространяясь в
тканях организма, ультразвуковые волны влияют на физико-химические
и биологические процессы, которые происходят в этих тканях. Самыми
чувствительными к действию контактного высокочастотного
ультразвука являются вегетативная и периферическая нервные системы.
107
В зависимости от интенсивности ультразвуковых волн различают
три вида ультразвука и влияния его на живые ткани:
1. Ультразвук малой интенсивности (до 1,5 Вт/см2). Вызывает
изменения физико-химических реакций организма, ускорения обменных
процессов, слабое нагревание ткани, микромассаж и не приводит к
морфологическим нарушениям внутри клеток.
2. Ультразвук средней интенсивности (1,5–3 Вт/см2). Вызывает
реакцию притеснения в нервной ткани. Скорость возобновления
функций зависит от интенсивности и длительности влияния
ультразвука.
3. Ультразвук большой интенсивности (> 3 Вт/см2). Вызывает
необратимое притеснение вплоть до полного разрушения ткани.
Распространение ультразвука происходит путем периодического
сжатия и разрежения среды. Если интенсивность волн достаточно
велика, то в местах разрежения происходит разрыв жидкости с
образованием полых пространств – кавитационных пузырьков, в
которые немедленно проникают растворенные в жидкости газы. Эти
пузырьки быстро «захлопываются», спадают под влиянием
наступающего последующего сжатия, что сопровождается местным
повышением температуры, развитием больших механических сил,
достаточных для разрушения находящихся в жидкости биологических
объектов. Этот феномен вошел в литературу под названием «явления
кавитации».
От характера и степени контакта излучателя с кожей зависит
возможность ультразвуковых колебаний воздействовать на ту или иную
ткань. Самый тонкий слой воздуха порядка 0,001 мм может полностью
отразить ультразвуковые волны. Отсюда возникает необходимость
освобождать облучаемый участок от волосяного покрова и следить за
тем, чтобы контактная среда (вазелин, глицерин) постоянно связывала
излучающую
поверхность
ультразвукового
преобразователя
(аппликатора) и кожу.
Серийно выпускается большое разнообразие ультразвуковых медицинских приборов. Как правило, они имеют малый вес и достаточно
портативны. Многие из приборов используют ультразвук средней по
пространству интенсивности до 3 Вт/см2 и работают в частотном
диапазоне 0,75–5 МГц. Используются либо непрерывный, либо
импульсный режимы. Импульсные режимы выбираются главным
образом в том случае, когда хотят использовать нетепловые эффекты.
Более точно режимы подбираются эмпирически. Выбор несущей
частоты определяется глубиной расположения объекта воздействия:
более высокие частоты используются для воздействия на
108
поверхностные области. Серийные генераторы обычно имеют две или
три фиксированные рабочие частоты, часто с взаимозаменяемыми
преобразователями, и дают возможность плавно или дискретно менять
интенсивность.
Большинство приборов обладают возможностью работать в одноили двухимпульсных режимах. Наиболее часто используемые режимы –
2 мс:2 мс (сигнал:пауза) или 2 мс:8 мс. Импульсные режимы обычно
характеризуются либо отношением длительности сигнала к
длительности паузы, либо коэффициентом заполнения – отношением
длительности сигнала к периоду следования импульсов, выраженным в
процентах. В любом случае для полного описания импульсного режима
необходимо приводить длительность импульса. Все приборы обычно
снабжены таймером, чтобы задавать длительность процедуры.
Опубликованные обследования ультразвуковых терапевтических
генераторов, используемых в клиниках, показывают, что их заводская
калибровка крайне неточна. Существует несколько простых способов
убедиться, излучает ли прибор или нет. Некоторые физиотерапевты
покрывают поверхность преобразователя слоем контактного вещества и
поворачивают ручку интенсивности до тех пор, пока на поверхности не
появится рябь. Можно опустить преобразователь в воду излучающей
поверхностью к поверхности воды. Тогда при увеличении интенсивности на поверхности воды возникает рябь, которая чаще всего выглядит как фонтанчик.
Терапевтические излучатели обычно сделаны в виде дисков из
высокодобротной пьезокерамики цирконат-титаната-свинца. Они
помещаются в водонепроницаемую оболочку из алюминия или
нержавеющей стали, прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная
сторона диска граничит с воздухом. Пространственная картина поля
типичного серийного преобразователя показана на рис. 7.1.
Существует несколько способов введения ультразвуковой энергии
в обрабатываемую область. Наиболее распространенный способ –
контактный, когда преобразователь прикладывается непосредственно к
коже. В этом случае передача акустической энергии осуществляется
через тонкий слой контактного вещества, акустический импеданс
которого близок к импедансу кожи.
При лечении частей тела неудобных конфигураций, например колен или локтей, облучение можно проводить при погружении тела в
ванну с водой. Также могут использоваться акустически прозрачные
мешки с водой. Мешок может принимать форму облучаемой части тела,
а акустический контакт с кожей осуществляется через слой контактного
вещества.
109
Рис. 7.1. Распределение акустического поля, создаваемого
стандартным терапевтическим излучателем на частоте 1,1 МГц
Обычно в качестве контактных веществ используются легко стерилизуемые жидкости с подходящим акустическим импедансом, такие
как минеральное или парафиновое масла. Используются и
тиксотропные вещества (типа гелей). Их удобно использовать, поскольку в обычном состоянии они достаточно вязки, но под действием
ультразвука разжижаются. Судя по опубликованным данным
сравнительного изучения различных контактных жидкостей, количество
энергии, передаваемое через различные жидкости, практически одно и то
же, если слой достаточно тонок, и зависит скорее от давления
преобразователя на контактное вещество, чем от его состава.
При любой возможности необходимо избегать режима
стационарного излучателя, поскольку возможно образование стоячих
волн и «горячих точек», которые могут привести к локальным
повреждениям.
Ультразвук в физиотерапии применяется главным образом при
лечении повреждений мягких тканей, для ускорения заживления ран,
для рассасывания отеков, для размягчения рубцов и во многих других
случаях. Он применяется также при костных патологиях и нарушениях
кровообращения.
110
3. Описание лабораторной установки
В
лабораторной
работе
используется
выпускаемый
промышленностью аппарат для ультразвуковой терапии УЗТ-1.07Ф.
Аппарат
предназначен
для
проведения
общих
физиотерапевтических процедур при лечении заболеваний внутренних
органов, заболеваний и травм опорно-двигательного аппарата,
периферической нервной системы. Возможно применение аппарата в
стоматологии, урологии, офтальмологии.
Аппарат применяется в физиотерапевтических кабинетах
поликлиник и больниц.
Технические данные и характеристики
1. Аппарат генерирует ультразвуковые колебания с номинальной
частотой 0,88 МГц, относительное отклонение частоты
высокочастотных колебаний, подводимых к излучателю, от
номинальной не превышает ±0,03%.
2. Аппарат работает в непрерывном и импульсном режимах генерации
ультразвуковых колебаний. Длительность импульсов 2, 4 и 10 мс, с
допустимым
отклонением ±20%, частота повторения 50 Гц.
Длительность фронта и среза импульса составляет не более 5% от
номинального значения длительности импульса, неравномерность
вершины импульса не более 10%.
3. Аппарат обеспечивает генерирование ультразвуковых колебаний
эффективной интенсивностью от 0,1 до 1 Вт/см2 с шагом 0,1 Вт/см2.
Относительное отклонение максимального значения эффективности
ультразвуковых колебаний от значений номинальной интенсивности
составляет не более ±35%. Для остальных значений интенсивности –
не более ±40%.
4. Аппарат
обеспечивает
установку
времени
процедуры
в пределах от 1 до 30 мин. с интервалом 1 мин.
5. Устройство контроля длительности процедуры обеспечивает по
истечении установленного времени процедуры прекращение
генерации ультразвуковых колебаний и подачу звукового сигнала
длительностью не менее 5 с.
6. Эффективная площадь излучателей:
ИУТ 0.88-1.03Ф – 1 см2;
ИУТ 0.88-1.05Ф – 1 см2;
ИУТ 0.88-4.04Ф – 4 см2.
111
7. Аппарат работает от сети переменного тока частотой 50 Гц и
напряжением 220 В с допустимым отклонением ±10%.
8. Мощность, потребляемая аппаратом от сети, не превышает 45 Вт.
9. Время установления рабочего режима не превышает 30 секунд с
момента включения аппарата в сеть.
10.Аппарат обеспечивает продолжительную работу в течение 6 ч в
повторно-кратковременном режиме: 15 мин. работы при
эффективной интенсивности не менее 0,4 Вт/см2 и 10 мин. при
отсутствии излучения.
11.Уровень радиопомех, создаваемых при работе аппаратом, не
превышает значений установленных ГОСТ 23450–79 для установок,
предназначенных для эксплуатации в жилых домах и учреждениях.
12.По электробезопасности аппарат соответствует требованиям ГОСТ Р
50267.0-92 и выполнен по классу защиты 1 типа В.
13.По последствиям отказа аппарат относится к классу В по ГОСТ
23256-86. Критериями отказа при исправных излучателях в ходе
эксплуатации следует считать отсутствие (или несоответствие
устанавливаемым значениям) информации на световых индикаторах,
мигание индикатора «Р», отсутствие на капле воды, занесенной на
поверхность излучателя, ряби при интенсивности 0,1 Вт/см2 или
фонтанчика с разбрызгиванием капель при интенсивности 1 Вт/см2.
14.Полный средний срок службы – не менее 7 лет. Полный
установленный срок службы – не менее 3,5 лет.
15.Масса электронного блока аппарата – не более 5,2 кг.
16.Габаритные размеры электронного блока аппарата не должны
превышать 360x310x115 мм.
17.Помимо излучателей, входящих в комплект поставки (3 типа),
электронные блоки аппарата обеспечивают совместную работу с
излучателями:
ИУТ 0.88-0,5.10Ф; ИУТ 0,88-1.06Ф; ИУТ 0,88-1.090; ИУТ 0,88-2.07С.
Устройство УЗТ-1.07Ф
Основными составными частями аппарата являются электронный
блок и комплект сменных излучателей.
Внутри корпуса находится шасси, на котором расположены
сетевая колодка с держателями предохранителей, сетевой выключатель,
сетевой трансформатор, вторичные обмотки которого впаяны в кросс
плату и печатными проводниками подведены к разъему,
установленному на кросс плате, с которым соединяется плата
стабилизатора;
112
кросс плата с установленными на ней разъемами для подключения
плат, (генератор, однокристальный микроконтроллер (ОКМК),
стабилизатор), а также 2 разъема, к которым подключаются
соединительные кабели соединительные кабели от передней панели и
разъема излучателя.
На лицевой панели электронного блока расположены:
 индикатор работы с маркировкой «Р», обеспечивающий
непрерывную световую сигнализацию при подаче напряжения
электрических колебаний на излучатель, и прерывистую световую
сигнализацию в случае отсутствия готовности аппарата к работе, в
частности, при неподключении излучателя к электронному блоку
аппарата;
 индикаторы режимов работы с маркировкой «Н», «2», «4», «10»,
обеспечивающие световую сигнализацию режимов работы аппарата;
 четырехразрядный цифровой индикатор, свечение разрядов
которого свидетельствует о включении сети; два разряда с маркировкой
«ВРЕМЯ» служат для индикации продолжительности лечебной
процедуры в мин., два разряда с маркировкой «ИНТЕН» несут
информацию о значении интенсивности излучаемого ультразвука, в
единицах Вт/см2;
 клавиатура, в которую входят:
набор цифровых клавиш с маркировкой цифр от 0 до 9 и знака «.»,
которые используются для задания информации об интенсивности
процедуры и её длительности;
клавиша «.» для контроля кода излучателя;
клавиша с маркировкой «С», которая переводит аппарат в
исходное состояние и обнуляет разряды цифрового индикатора;
клавиша с маркировкой «РЕЖИМ» позволяет путем последовательности одиночных нажатий задавать режим работы аппарата:
«непрерывный» – для получения на выходе электронного блока
синусоидальных колебаний напряжения или «импульсный» для
формирования на выходе электронного блока последовательностей
импульсов с длительностью 2, 4 или 10 мс, выбор одного из режимов
работы обозначается свечением соответствующего светового
индикатора;
клавиша с маркировкой «ИНТЕН» служит для вхождения в режим
задания значения интенсивности излучаемых ультразвуковых
колебаний;
клавиша с маркировкой «ВРЕМЯ» служит для вхождения в режим
задания значения времени продолжительности процедуры;
113
клавиша с маркировкой «ПУСК» служит для перевода аппарата в
рабочее состояние.
На задней стенке электронного блока расположены: вставки
плавкие, вход сетевого шнура и контрольное гнездо.
В комплект аппарата входит комплект сменных частей в укладке,
в
которой
размещаются
излучатели
с
соответствующими
соединительными кабелями.
Принцип работы УЗТ-1.07Ф
Схема электрическая функциональная и принцип работы аппарата
изображена на рис. 7.2.
А
Выход
1
2
3
4
20
Режим
Регулирование мощности
5
Вход
детектора
6
7
21
Б
8
10
9
Код излучателя
13
11
12
14
В
15
+5В +15В-15В+45В
16
Г
17
18
19
Рис. 7.2. Схема электрическая функциональная аппарата УЗТ-1.07Ф
114
Электронный блок аппарата предназначен для получения
напряжения возбуждения ультразвукового излучателя в непрерывном и
импульсном режимах работы. Электронный блок включает в себя
четыре функциональных узла: генератор А, однокристальный
микроконтроллер Б, узел индикации и клавиатуры В, блок питания Г.
В непрерывном режиме работы напряжение возбуждения
представляет собой гармонические колебания с частотой 0,88 МГц, в
импульсном – последовательность низкочастотных импульсов с той же
частотой заполнения и длительностью 2, 4 или 10 мс и периодом
следования Т = 20 мс.
Колебания ультразвуковой частоты генерируются в кварцевом
генераторе 1 и через импульсный модулятор 2 подаются на
регулируемый усилитель 3. С выхода усилителя 3 сигнал подается на
усилитель мощности 4, который формирует выходной сигнал для
излучателя. Для согласования выхода усилителя мощности с
различными типами излучателей служит блок согласующих
индуктивностей 20. Регулировка мощности ультразвукового излучения
выполняется с помощью регулируемого стабилизатора напряжения 6,
выходное напряжение с которого подается на усилитель 3.
Значение
регулирующего
напряжения
определяется
восьмиразрядным кодом, подаваемым с процессора 8 на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, выход которого подключается к
стабилизатору 6. Начальное значение регулирующего напряжения
определяется процессором 8 по коду, считываемому с излучателя через
параллельный адаптер 11, а текущее значение определяется в процессе
работы по значению напряжения на излучателе, считываемому
процессором с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 13 через
буфер АЦП 14. Сигнал на вход АЦП поступает с излучателя через
согласующий делитель 21 и детектор 7.
Наличие
высокочастотного
напряжения
на
выходе
электронного блока сигнализируется свечением светодиодного
индикатора «Р» на лицевой панели.
Задание режима работы,
значения
интенсивности
ультразвуковых колебаний, времени процедуры, запуск и выключение
генератора высокочастотных колебаний выполняется с помощью узла
индикации и клавиатуры В, который управляется от модуля
микроконтроллера Б.
Аппарат питается от сети переменного тока. Блок
питания Г содержит стабилизатор напряжений 17 на стабилизированные
значения 5 В, ±15 В и выпрямленное значение +45 В, сетевой вход 18 со
схемой фильтрации радиопомех и сетевой трансформатор 19.
115
Генератор А может работать в двух режимах: непрерывном и
импульсном, управление производится сигналом «РЕЖИМ». В любом
из режимов возможны регулировки выходкой мощности – либо
цифровым восьмиразрядным кодом, либо аналоговым сигналом.
Импульсный модулятор 2 предназначен для осуществления
импульсной модуляции ультразвуковых колебаний и обеспечивает два
режима работы. Он выполнен на логическом элементе по схеме «ИНЕ». Уровень логической «1» по линии «РЕЖИМ» соответствует
непрерывному режиму работы генератора, а положительные импульсы
по этой линии реализуют импульсный режим генератора.
Микроконтроллер ОКМК выполняет в аппарате управляющие и
расчетные функции. Процессор 8 предназначен для обслуживания
функциональной клавиатуры, вывода значений параметров (интенсивность излучения, время излучения) на индикацию расчета и
коррекции напряжения на излучателе, тестирования аппарата.
Процессор имеет 3 порта ввода-вывода.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 9 предназначено
для хранения программы, необходимой для работы процессора. Объем
ПЗУ – 2 Кбайта.
АЦП 13 используется для контроля напряжения на излучателе.
АЦП программируется через дешифратор 12. Он измеряет аналоговые
сигналы (значение напряжения), поступающие через аналоговый
коммутатор АК и выдает в процессор, полученный в результате
преобразования 8-разрядный код.
Буфер 14 используется для считывания результата АЦП в шину
процессора.
Узел индикации и клавиатуры содержит блок индикации и модуль
клавиатуры.
Система питания аппарата состоит из платы стабилизатора
напряжений 17, сетевого входа 18 и сетевого трансформатора 19. Он
выдает напряжения +5В; ±15В; +45В, необходимые для работы всех
узлов аппарата. Переменные напряжения поступают на стабилизатор со
вторичных обмоток сетевого трансформатора.
4. Указание мер безопасности
1. При эксплуатации прибора следует соблюдать правила по технике
безопасности, распространяющиеся на работу с электрическими
установками.
2. Перед включением аппарата в сеть следует проверить сохранность
изоляции сетевого шнура.
116
3. Категорически запрещается включать аппарат в сеть при
отсутствии или неисправности цепи заземления!
4. При эксплуатации аппарата запрещается располагать пациента в
пределах досягаемости металлической мебели, радиаторов, труб
отопления и водопровода.
5. При работе с аппаратом после нажатия кнопки «ПУСК»
не допускается держать излучатель на воздухе – излучающая
поверхность его должка соприкасаться с жидкостью или с
облучаемым участком тела (через слой контактного вещества).
5. Программа работы
1. Возьмите соединённый со своим кабелем один из излучателей,
входящий в комплект поставки, и подключите его к разъему
«ИЗЛУЧАТЕЛЬ» на боковой стенке аппарата.
2. Включите вилку сетевого провода аппарата в розетку сети и нажмите
клавишу выключателя «СЕТЬ». При этом должен загореться 4разрядный световой индикатор «ВРЕМЯ-ИНТЕН», и индикатор
режима работы «Н». Индикатор «Р» должен быть в погашенном
состоянии. Если он кратковременно мигает и при этом
воспроизводятся короткие звуковые сигналы, то это свидетельствует
о неисправности аппарата или неподключении излучателя к
электронному блоку.
3. Поверните излучатель излучающей поверхностью вверх и нанесите
на нее 2–3 капли воды.
4. Установите требуемую интенсивность излучений (0,1 или 1 Вт/см2),
нажав на клавиатуре клавишу «ИНТЕН» и набрав соответствующее
цифровое значение. Наберите время процедуры 5 мин., нажав
клавишу «ВРЕМЯ» и набрав число 5. После правильного
выполнения всех предварительных установок нажмите клавишу
«ПУСК». При этом должен загореться индикатор «Р», что
соответствует включению генератора ультразвуковых колебаний. В
случае ошибки при наборе информации на клавиатуре следует
нажать клавишу «С», которая выполняет функцию сброса режима
аппарата в начальное состояние, и повторить операции,
перечисленные в этом пункте.
5. При правильном выполнении всех операций в предыдущем пункте
на поверхности воды на излучателе должна появиться легкая рябь
(при интенсивности 0,1 Вт/см2) или фонтанчик с разбрызгиванием
капель воды (при интенсивности 1 Вт/см2).
117
6. Во избежание выхода из строя излучателя время однократного
наблюдения за колебаниями воды должно быть не более 5–10 с.
После окончания проверки необходимо нажать на клавишу «С».
7. Проверьте работоспособность аппарата в импульсном режиме путем
последовательности однократных нажатий на клавишу «РЕЖИМ».
При этом должны последовательно загораться светодиоды 2, 4, 10 и
на излучающей поверхности излучателя наблюдаться колебания
жидкости.
8. Нажмите клавишу «С», при этом раздается звуковой сигнал
окончания процедуры длительностью не менее 5 с, генерация
ультразвуковых колебаний прекращается и все индикационные
элементы переводятся в исходное состояние.
9. Смажьте контактной средой (например, вазелином) излучающую
поверхность излучателя, применяя для этого пипетку или ватный
тампон.
10.Соедините приемный преобразователь с осциллографом.
11.Приложите
излучатель
его
подготовленной
излучающей
поверхностью к приемному преобразователю.
12.Установите заданную преподавателем интенсивность ультразвуковых колебаний, нажав клавишу «ИНТЕН» и соответствующий
набор цифр на клавиатуре.
13.Установите заданную продолжительность времени процедуры, нажав
клавишу «ВРЕМЯ» и соответствующее цифровое значение на
клавиатуре (например, 5 мин.).
14.Нажмите клавишу «ПУСК», при этом от излучателя к приемнику
будут поступать ультразвуковые колебания.
15.Следите за тем, чтобы между излучающей поверхностью и
приемником не было прослоек воздуха. Излучатель при плохом
контакте с приемником может сильно нагреться. Если в качестве
приемника ультразвуковых колебаний будет тело пациента, то это
вызовет у пациента болевые ощущения.
16.Зарисуйте осциллограммы напряжений с приемника в непрерывном
и импульсных режимах (с длительностью импульсов 2, 4, 10 мс) для
двух значений интенсивностей, которые укажет вам преподаватель.
17.Определите с помощью осциллографа основные параметры сигналов
(амплитуду, период, длительность импульса и паузы).
18.По окончании лабораторной работы ватным тампоном удалите
контактную среду с излучателя и приемника. Затем протрите эти
поверхности тампоном, смоченным спиртом.
118
19.Выключите аппарат из сети, переведя выключатель сети «СЕТЬ» в
положение «ВЫКЛ», при этом должны погаснуть индикаторы на
лицевой панели.
20.Извлеките вилку провода сети из сетевой розетки.
6. Содержание отчета
1. Цель и ход работы.
2. Описание структурной схемы прибора.
3. Снятые осциллограммы напряжений и таблица параметров сигналов
в непрерывном и 3-х импульсных режимах для двух заданных
интенсивностей излучения.
4. Ответы на контрольные вопросы.
7. Контрольные вопросы
1. Почему во время проверки работоспособности аппарата на
поверхности воды на излучателе появляется рябь?
2. Каким образом УЗ волны оказывают терапевтическое воздействие?
3. В каких случаях применяют непрерывный режим воздействия, в
каких импульсный?
4. Почему при работе с аппаратом не допускается держать излучатель
на воздухе?
5. Что такое импульсная модуляция и зачем необходима её реализация
в приборе?
6. Какой тип УЗ датчиков используется в лабораторной работе?
Приведите его конструкцию.
7. Что такое детектор и какую он выполняет функцию в электронной
части прибора?
119
СОДЕРЖАНИЕ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Изучение ультразвуковых
расходомеров и газоанализаторов
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Измерение скорости
распространения ультразвука в биообъектах
13
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Измерение плотности
биологических жидкостей
25
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Изучение ультразвуковых
систем визуализации
38
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 Измерение скорости ультразвука
в костных тканях
69
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 Исследование потока крови
89
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 Измерение параметров
воздействия при ультразвуковой терапии
120
104