Тема работы: Ультразвук в медицине

Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение Куйбышевского района «Михайловская средняя общеобразовательная школа»

научно-практическая конференция учащихся Куйбышевского района

Секция: физика и астрономия

Тема работы: Ультразвук в медицине

Исследовательская работа

Выполнила:  Яковлева Галина,

учащаяся 9 класса

Руководитель: , учитель физики 2 категории

Куйбышев

2014

Содержание

№	Название	стр
I	Введение	3
II	Ультразвук	3
1	Что же такое ультразвук?	3
2	Как ультразвук попал в арсенал медиков?	5
3	От звука к изображению	6
3.1	Образование ультразвуковой волны	6
3.2	Получение эхо-сигналов	7
3.3	Вывод изображения	7
3.4	УЗИ Доплера	7
3.5	Эхоконтрастирование	8
3.6	Компрессионное УЗИ	8
4	Использование УЗИ в медицине	8
5	Плюсы и минусы УЗИ	9
6	Безопасность	11
III	В кабинете узиолога	12
IV	Выводы	12
V	Литература	12
VI	Приложения	13
1	Диагностика	13
2	Терапия	14
3	Как подготовиться к УЗИ	15
4	Интервью с врачом-узиологом	16
5	Снимки УЗИ	17

Введение

Проходя обследование в поликлинике, я обратила внимание на работу врача-узиолога. Мне стало интересно, как же он определяет состояние и работу органов человека, видит насквозь. Полистав учебник физики 9 класса, я нашла тему  «Ультразвук». Прочитав, я решила подробнее изучить эту тему. Цель моей работы: познакомиться с ультразвуковым исследованием.

В связи с этим я ставлю следующие задачи:

узнать что такое ультразвук; узнать где в природе встречается ультразвук; выявить где применяется ультразвуковые волны; узнать историю появления УЗИ; исследовать ультразвуковые снимки, полученные на аппарате УЗИ; познакомиться с применением УЗИ в медицине; узнать рекомендации по подготовке к прохождению УЗИ.

Ультразвук

Что же такое ультразвук?

Ультразвук это механические волны, происходящие с частотой более 20 000 Гц. Как любые механические волны, ультразвуковые волны отражаются от поверхностей, преломляются, поглощаются. УЗИ основано на свойстве ультразвуковых волн с частотой от 0,5 до 15 МГц проходить через ткани организма, частично отражаясь от всех поверхностей, представляющих собой границы тканей разного состава и плотности.

Когда были созданы высокочувствительные приемники звуков для самых различных частот, обнаружилось, что  существуют звуки, которые мы не слышим, инфразвуки и ультразвуки. Остановлюсь на ультразвуках. Оказалось, что живые существа независимо от места обитания воспринимают ультразвуки с частотой до 40 кГц (летучие мыши, собаки, дельфины и т. д.), применяют их для «переговоров», обнаружения пищи.

Установленные в море приемники ультразвука обнаруживают его при появлении «плавающих островов» планктона. Оказалось, что крохотные веслоногие рачки в этом планктоне создают ультразвуковые волны, потирая лапку о лапку. 

Ультразвуковые волны можно получить с помощью специальных высокочастотных излучателей. Их используют в эхолокации (для определения глубины морей и океанов), ультразвуковой дефектоскопии (для обнаружения дефектов – трещин, воздушных полостей и т. д. – в литых изделиях), в медицине (для диагностики и лечения) и т. д.

Более подробно остановлюсь на использовании ультразвуковых волн в медицине. УЗИ (ультразвуковое исследование) – это метод, основанный на применении ультразвуковых волн, используемый для обследования подкожных структур организма человека, включая сухожилия, мышцы, суставы, кровеносные сосуды и внутренние органы, и выявления возможных патологий и нарушений функционирования. Акушерское УЗИ – широко известный метод, часто используемый во время беременности. УЗИ —  метод диагностики, который на сегодняшний день является одним из основных инструментов современной медицины и применяется практически во всех её областях. Будучи довольно молодым методом, УЗИ диагностика совершила настоящий переворот, обеспечив врачей мощным, быстрым, безопасным, информативным и достоверным инструментом обследования пациентов для выявления широкого круга заболеваний.

Как ультразвук попал в арсенал медиков?

В конце XIX века, в 1877 году, Джон Уильям Струтт разработал теорию звука, которая и явилась основой науки об ультразвуке. Тремя годами позже открытие учёных Пьера и Жака Кюри привело к развитию ультразвукового преобразователя. Их открытие пьезоэлектриков стало основой современного ультразвукового оборудования.

Ультразвуковая энергия впервые была использована в медицинских целях доктором Джорджем Людвигом в Военно-Морском Медицинском Исследовательском Институте (Бетесда, Мэриленд, США) в конце 40-х годов. Англичанин Джон Уайлд первым использовал УЗИ для определения толщины тканей кишечника в 1949 году. За эту работу его назвали “отцом медицинского УЗИ”.

Первые успешные измерения показателей работы сердца были сделаны 29 октября 1953 года с помощью прибора, заимствованного у кораблестроительной компании Koкумс в Мальмо. 16 декабря этого же года метод был использован для производства эхоэнцефалограммы (ультразвуковой датчик для обследования мозга).

В конце 60-х доктор Странднесс и группа биоинженеров Университета Вашингтона провели исследования, посвященные применению УЗИ Доплера при лечении сосудистых заболеваний.

Первая демонстрация цветовой допплерографии была проведениа Джефом Стивенсоном, который ранее участвовал в разработке технологий применения эффекта Допплера в медицинском УЗИ.

В Королевском родильном доме Глазго профессор Дональд и доктор Джеймс Виллокс адаптировали свои технологии к применению в акушерстве. 

От звука к изображению

Создание изображения с помощью ультразвука происходит в 3 этапа – образование ультразвуковой волны, получение эхо-сигналов и обработка этих сигналов.

1) Образование ультразвуковой волны

Ультразвуковая волна обычно производится пьезоэлектрическим (эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений) датчиком, заключенным в специальную оболочку. Сильные и короткие электрические импульсы, поступающие из ультразвукового аппарата, заставляют пьезодатчик вращаться с нужной частотой. Частоты могут варьироваться от 2 до 18 МГц. Ультразвук фокусируется благодаря определенной форме датчика, линзы или посредством сложной серии контрольных импульсов из ультразвукового аппарата (формирование пучка). Это фокусирование образует дугообразную звуковую волну, исходящую из передней части датчика. Эта волна проникает в тело и создает фокус на нужной глубине.

Практически все пьезоэлектрические датчики изготовлены из керамики.

Материалы, из которых изготовлена оболочка датчика, позволяют ультразвуковым волнам беспрепятственно проникать в организм человека (обычно датчик покрыт резиновым слоем). В дополнении к этому на кожу пациента до установления датчика наносится гель на водной основе.

Ультразвуковая волна частично отражается от слоев различных тканей организма. Ультразвук имеет особое отражение от тканей, в которых заметны изменения плотности, от различных небольших образований в органах и т. д. Некоторая часть этих отражений поступает обратно в датчик.

2) Получение эхо-сигналов

Получение отражений ультразвука – процесс, сходный с отправлением ультразвука в ткани организма, но отражения движутся в обратном направлении. Возвратившиеся ультразвуковые волны вызывают вибрации в датчике, который в свою очередь преобразует эти вибрации в электрические импульсы, поступающие затем в ультразвуковой сканер, где они обрабатываются и преобразуются в цифровое изображение.

3) Вывод изображения

Изображения с ультразвукового сканера могут считываться, выводиться на экран и транслироваться через компьютер, при этом применяются механизмы захвата кадра и оцифровки аналоговых видеосигналов. Видеосигнал затем может проходить процесс постобработки на компьютере.

4) УЗИ Доплера

Качество УЗИ улучшается при использовании данных Доплера, получить которые можно, опираясь на эффект Доплера, измерив движение каких-либо структур (обычно крови) в направлениях к датчику и от него, а также скорость этого движения. Это особенно важно при обследовании сердечнососудистой системы (УЗИ сердечнососудистой системы и сердца), а также необходимо при лечении многих болезней, например, для получения данных о движении крови в сосудистой сети печени. Лаборатории до сих пор изготавливают цветовую картограмму Доплера в соответствии с ранее принятыми стандартами, обозначая красным длинные волны эхо-сигналов от потоков, движущихся от датчика, а голубым – короткие волны эхо-сигналов от кровотоков, движущихся по направлению к датчику.

5) Эхоконтрастирование

Использование особых контрастирующих элементов (микропузырьков) в медицинском УЗИ улучшает обратное рассеивание ультразвука, известное как эхоконтрастирование ультразвука. Данная техника в настоящее время используется в эхокардиографии и в дальнейшем может использоваться при создании молекулярных изображений и при решении проблем обеспечения доступа лекарства к определенному органу.

6) Компрессионное УЗИ

Компрессионное УЗИ – это методика, используемая для диагностирования тромбоза глубоких вен, которая сочетает в себе УЗИ глубоких вен и измерение венозного давления. Компрессионное УЗИ обладает высокой чувствительностью и специфичностью при выявлении тромбоза глубоких вен. Чувствительность данного вида УЗИ составляет 90-100% при обнаружении тромбоза глубоких вен, а специфичность – 95-100%.

Использование УЗИ в медицине

1) Диагностика

Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Эти исследования основаны на свойстве ультразвуковых волн с частотой от 0,5 до 15 МГц проходить через ткани организма, частично отражаясь от всех поверхностей, представляющих собой границы тканей разного состава и плотности. При помощи УЗИ производят обследования подкожных структур организма человека, включая сухожилия, мышцы, суставы, кровеносные сосуды и внутренние органы, и выявления их возможных патологий и нарушений функционирования (приложение 1).

Общая цель использования аппарата УЗИ – создание общего изображения нужного внутреннего органа.

2) Терапия

Ультразвуковая терапия основана на том, что ультразвуковые волны определенных частот оказывают механическое, тепловое, физико-химическое воздействие на ткани, в результате чего в организме активизируются обменные процессы и реакция иммунитета.

Терапевтическое использование ультразвука основано на тепловом воздействии на определенные органы. При этом используется намного больше энергии, чем при диагностике, также показания частот звуковых волн в большинстве случаев отличаются от показаний частот при диагностическом применении УЗИ (приложение 2).

Плюсы и минусы УЗИ

Как и другие методы исследования УЗИ имеет свои положительные и отрицательные стороны.

1) Достоинства

УЗИ хорошо отображает мышцы, мягкие ткани и поверхность кости, что очень важно для разграничения твердых структур и структур, наполненных жидкостью. УЗИ создает “живые” изображения, поэтому оператор в процессе может выбрать наиболее важную зону для диагностики. Живые изображения также помогают в проведении процедур биопсии и при инъекциях, когда другие методы визуализации могут быть неудобными. УЗИ отображает структуру органа. Ультразвуковое исследование не вызывает долгосрочных побочных эффектов и очень редко вызывает дискомфорт у пациента. Оборудование для УЗИ является широкодоступным и сравнительно гибким. Сканеры для УЗИ небольшие и мобильные, следовательно, обследование можно провести у кровати пациента. УЗИ является недорогим видом обследования по сравнению с компьютерным рентгенологическим обследованием, томографией, скринингом, МРТ. Пространственное разрешение при использовании высокочастотных датчиков аппаратов УЗИ выше, чем при использовании других видов визуализации внутренних структур организма.

2) Недостатки

Аппараты УЗИ не позволяют получать изображения структур через костную ткань. Например, проведение транскраниального УЗИ у взрослых очень затруднено, хотя и были сделаны некоторые успехи в данной области. Газообразования, находящиеся между датчиком и нужным органом, блокируют ультразвук в результате больших различий в акустических сопротивлениях и мешают созданию изображения. Например, газообразования в пищеварительном тракте делают УЗИ поджелудочной железы крайне затруднительным, а изображение легких с помощью УЗИ невозможно получить (кроме случаев плеврального выпота). Даже в случае отсутствия газообразований и костной ткани в области исследования, глубина проникновения ультразвука может быть ограничена в зависимости от частоты отображения. Соответственно, может быть сложно создать изображение структур, которые находятся глубоко, особенно если исследуют организм человека, страдающего лишним весом. Телосложение пациента имеет большое влияние на качество изображения. Так, в случае пациентов с лишним весом результаты УЗИ могут оказаться неточными, так как подкожный жир ослабляет ультразвук, в этих случаях необходимо использовать датчик с более низкими частотами. Точность и качество результатов УЗИ зависят от оператора. Необходимы специальные профессиональные навыки и большой опыт для создания высококачественных снимков УЗИ и для получения точных результатов. Изображение тканей при УЗИ неспецифично, в отличие от методов компьютерной томографии и МРТ, не существует эффективного способа определить, какой именно участок организма был обследован с помощью УЗИ.

Безопасность

УЗИ в целом считается безопасным методом обследования. Отчет Всемирной организации здравоохранении номер 875 (1998) сообщает, что УЗИ признано безвредным для здоровья человека: “Диагностическое УЗИ признается безопасным, эффективным и очень гибким способом для визуализации внутренних структур организма, который представляет клинически верные данные о большинстве органов тела быстро, не требуя при этом больших материальных затрат”.

Как подготовиться к УЗИ

УЗИ в настоящее время является одним из самых информативных и современных методов диагностики, применяемых в медицине. Одновременно можно провести несколько ультразвуковых исследований органов. УЗИ абсолютно безопасно для пациента, отсутствует лучевая нагрузка. Специальной подготовки к ультразвуковому исследованию, как правило, не существует. Все рекомендации по подготовке к исследованию дает ваш лечащий врач. УЗИ проводится в клинике или больнице, процедура длится 20-30 минут. Подготовка к проведению УЗИ зависит от органа обследования (приложение 3).

В кабинете узиолога

Для более близкого знакомства с УЗИ я побывала в кабинете узиолога Куйбышевской детской поликлиники, взяла интервью, снимки (приложение 4, 5).

Выводы

В результате выполнения работы я много узнала об ультразвуке, ультразвуковом исследовании. Теперь я понимаю, зачем нужно проходить УЗИ, как к нему подготовиться. Цель достигнута.

Литература

, , . Физика 11 класс. Просвещение. Москва 2008. , . Физика 9 класс. Дрофа. Москва 2006.

Интернет-источники

http://www. nazdor. ru/health/encyclopaedia/organism/uzi/ http://ru. wikipedia. org/wiki/%D3%EB%FC%F2%F0%E0%E7%E2%F3%EA%EE%E2%EE%E5_%E8%F1%F1%EB%E5%E4%EE%E2%E0%ED%E8%E5 http://www. uzist. ru/istoriya-uzi/istoriya-uzi. html

Приложение 1

Диагностика

Система	Описание
Анестезио-логия	УЗИ часто используется анестезиологами когда необходимо ввести инъекции раствора анестетика в область около нерва
Кардиоло-гия	Эхокардиография является неотъемлемой частью кардиологии для диагностирования, например, увеличения частей сердца или нарушений функционирования желудочков сердца и сердечных клапанов
Экстренная медицинс-кая помощь	УЗИ применяется в экстренной медицинской помощи в разных целях, включая особое обследование организма после травмы с помощью УЗИ  в ходе которого диагностируется наличие гемоперитонеума или тампонады сердца после травмы.
Гастроэнте-рология	УЗИ брюшной полости исследует органы, располагающиеся в брюшной полости, такие как поджелудочная железа, аорта, нижняя полая вена, печень, желчный пузырь, желчный проток, почки и селезенка. Ультразвуковые волны блокируются газообразованиями в кишечнике, жир также ослабляет способность ультразвука проникать в ткани, поэтому в этой области УЗИ не является эффективным методом исследования. В некоторых случаях с помощью УЗИ можно диагностировать воспаление аппендикса.
Гинеколо-гия	УЗИ в гинекологии выполняет функцию контроля состояния внутренних органов женщины, помогает проводить диагностику и мониторинг опухолевых образований матки и яичников, выявлять причины бесплодия, маточных кровотечений и др.
Неонатало-гия	В данном разделе УЗИ применяется для обнаружения интрацеребральных отклонений, кровотечений, вентриколумегалии, гидроцефалии, перивентрикулярной лейкомаляции. Ультразвук может проникать через мягкие участки черепа новорожденного, пока череп полностью не сформируется (к 1 году череп младенца становится крепким, происходит его полное формирование, после которого он становится практически непреодолимой преградой для ультразвука). Наиболее часто УЗИ головного мозга новорожденных проводят через передний родничок. Чем меньше родничок, тем ниже качество изображения при проведении УЗИ.
Неврология	УЗИ применяется для контроля над движением крови, для обнаружения сужений в сонных артериях (УЗИ сонных артерий) и крупных интрацеребральных артериях
Акушерст-во	Акушерское УЗИ обычно применяют в период беременности, чтобы следить за развитием плода
Офтальмоло-гия	Ультразвуковое изображение глаза, известное также как УЗИ глаза
Урология	УЗИ используется для определения, например, количества жидкости в мочевом пузыре пациента. УЗИ малого таза исследует органы малого таза. К таким органам относятся матка, яичники и мочевой пузырь. Мужчины также иногда проходят УЗИ малого таза, чтобы проверить состояние мочевого пузыря, предстательной железы или яичек (например, чтобы отличить эпидидимит от перекручивания яичка). Молодых мужчин обследуют с помощью УЗИ малого таза, чтобы отличить доброкачественные новообразования (варикоцеле или гидроцеле) от рака яичек. Рак яичек является излечимой болезнью, его необходимо лечить, чтобы сохранить здоровье и способность к зачатию. Существует 2 способа для проведения УЗИ малого таза: внешний и внутренний. Внутреннее УЗИ малого таза может проводиться трансвагинально (у женщин) и трансректально (у мужчин). УЗИ малого таза может предоставить полезную информацию о нарушениях в органах малого таза, его результаты помогают правильно назначить лечение пациенту с симптомами, которые могут относиться к таким заболеваниям, как пролапс органов малого таза, двойное мочеиспускание и затрудненная дефекация. УЗИ малого таза используется также для диагностирования и при использовании более высоких частот для лечения камней и кристаллов в почках (нефролитиаз).
Опорно-двигатель-ный аппарат	УЗИ используется для обследования сухожилий, мускулов, нервов, связок, образований мягких тканей и поверхности костей
Сердечносо-судистая система	УЗИ применяют для контроля над проходимостью сосудов, для обнаружения возможных сужений артерий (УЗИ артерий), для диагностирования тромбоза глубоких вен (Компрессионное УЗИ), для определения степени развития венозной недостаточности (УЗИ вен)

Приложение 2

Терапия

Ультразвук иногда применяют для чистки зубов (гигиена полости рта). Ультразвук также используют для создания теплового воздействия на нужный орган, чтобы вызвать механические изменения в биологических тканях (например, в таких областях как физиотерапия и лечение рака). Однако применение ультразвукового лечения при заболеваниях опорно-двигательного аппарата не распространено. Фокусированный ультразвук применяется для локального нагревания определенных частей организма при лечении кисты и опухолей (доброкачественных и злокачественных). Этот метод лечения известен как хирургия с помощью фокусированного ультразвука. При такой процедуре в целом используются ультразвуковые волны более низкой частоты, чем при использовании УЗИ в диагностике (от 0,250 до 2 МГц), но используется значительно больше энергии. Применение хирургии с помощью фокусированного ультразвука часто основывается на методе ОМР (отображение магнитного резонанса). Фокусированный ультразвук используется при литотрипсии для удаления камней в почках. Ультразвук применяют в факоэмульсификации при лечении катаракты. Недавно были обнаружены дополнительные физиологические воздействия низкоинтенсивного ультразвука, например, его способность стимулировать рост костей и разрывать гематоэнцефалический барьер, который препятствует поступлению лекарства в нужный орган.

Приложение 3

Как подготовиться к УЗИ

УЗИ брюшной полости (печень, поджелудочная железа, селезенка, желчный пузырь):

1. Рекомендуется за два дня до проведения УЗИ исключить из рациона продукты, способствующие газообразованию в кишечнике (сырые овощи, богатые растительной клетчаткой - капуста, горох, фасоль; молоко и молочные продукты; продукты с высоким содержанием углеводов – пирожные, выпечные изделия, торты и другие).

2. Необходимо принять сорбенты (эспумизан, смекта, активированный уголь), если у вас наблюдаются явления метеоризма. Сорбенты принимаются за 12 часов до проведения исследования. Необходимое количество сорбента назначает врач.

3. Желательно проводить УЗИ в первой половине дня, на голодный желудок. Если исследование проводится во второй половине дня, разрешается утром легкий завтрак, за 6 часов до процедуры.

УЗИ молочных желез:

При ультразвуковом исследовании молочных желез не требуется подготовка. УЗИ желательно проводить в первой фазе менструального цикла (первые 7-12 дней).

УЗИ органов малого таза (матка, придатки, мочевой пузырь у женщин):

1. При гинекологическом ультразвуковом исследовании через живот (трансабдоминальный метод) необходима подготовка мочевого пузыря. Принимается 1 литр жидкости (питьевая вода) за 1 час до проведения процедуры.

2. При трансвагинальном (внутриполостном) гинекологическом ультразвуковом исследовании подготовки не требуется, УЗИ проводится при свободном, опорожненном мочевом пузыре.

УЗИ предстательной железы (простаты) и мочевого пузыря у мужчин:

1. Перед исследованием необходимо выпить 1 литр жидкости (питьевая вода) за 1 час до процедуры. Мочевой пузырь должен быть полным.

2. Провести очистительную клизму вечером, накануне ультразвукового исследования.

УЗИ щитовидной железы, лимфатических узлов, слюнных желез, ультразвуковое сканирование сосудов головы, сосудов конечностей, УЗИ мягких тканей, УЗИ сердца (эхокардиография) и почек не требуют дополнительной подготовки. Все исследования проводятся специальными датчиками.

Приложение 4

Интервью с врачом-узиологом

  1.Какие исследования можно сделать на вашем аппарате?

На аппарате  в нашей поликлинике можно производить следующие исследования:

- Нейросонография исследование головного мозга (строение и сосуды);

- эхокардиография (сердце);

- поверхностное расположение органов (щитовидная, молочная железа);

- сосуды мелкой, верхней и нижних конечностей;

- суставов;

- внутренних органов (органы брюшной полости: печень, желчевыводящие пути, селезёнка, желудок, поджелудочная железа; почки).

  2. Как по изображению понять заболевание?

По изображению можно обнаружить признаки многих заболеваний, а диагноз ставит врач.  Стопроцентный диагноз можно поставить  при желчекаменной болезни (камни в желчных путях), при заболеваниях сердца.

  3.Где можно получить профессию врача-узиолога?

Профессию врача-узиолога можно получить только в высших медицинских учебных заведениях, а медицинской сестры, работающей в кабинете УЗИ, можно получить на курсах по окончании медицинского училища.

  4.Есть ли цветное изображение?

На нашем аппарате цветное дуплексное картирование можно получить при исследовании сосудов, наблюдая движение крови.  Если кровь движется к датчику, то изображение красного цвета, а от датчика – синего.

5.Как часто можно делать УЗИ?

Ультразвуковое исследование безопасно, поэтому его можно делать очень часто, по мере необходимости.

6.Для чего в аппарате используются разные датчики?

Датчики имеют разную частоту излучения, поэтому используются в разных исследованиях.

1)Конвексный  - 5 МГц, используется для исследования внутренних органов.

2)Линейный – 4 – 7 МГц используется  для исследования  поверхностных органов.

3)Микроконвексный – 3,5 – 5 МГц, используется для исследования сердца, головного мозга, сосудов.

Чем выше частота, тем более точное и подробное изображение, а чем ниже  - тем более глубоко проникают лучи в орган. Самые светлые участки можно наблюдать на органах, которые имеют плотную структуру (кости, сердце…). Тёмные  участки получаются, если  орган имеет жидкостную структуру (кровь, киста...).

Приложение 5

Снимки УЗИ

 

  УЗИ сердца  УЗИ печени

 

  УЗИ почки  УЗИ щитовидной железы