УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНЕ - ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИЛОЖЕНИЯ

(4 курс, 7 семестр, 36 часов, лекции и семинары)


Цель спецкурса

Добиться овладения студентами физическими основами и принципами применения ультразвуковых волн в медицинской диагностике и терапии и ознакомить их с современными приложениями акустики в медицине.


Содержание спецкурса


I. КРАТКАЯ СВОДКА СВОЙСТВ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ – 4 ч. Интеграл Рэлея как основа расчета полей ультразвуковых излучателей. Границы применимости. Связь акустического поля преобразователя в режиме излучения с пространственным распределением его чувствительности в режиме приема. Теорема взаимности. Простейшие источники ультразвука. Круглый и прямоугольный поршневые излучатели. Ближнее и дальнее поля.

II. ИСТОЧНИКИ УЛЬТАЗВУКА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МЕДИЦИНЕ – 4 ч. Фокусирующие преобразователи. Акустические линзы. Продольный и поперечный размеры фокальной области. Пространственное разрешение. Антенные решетки. Диаграмма направленности. Принцип электронного сканирования. Непрерывный и импульсный режим излучения. Продольное разрешение в импульсном режиме. Ультразвуковые частоты, используемые в медицинском ультразвуке, их выбор.

III. АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ – 4 ч. Биологическая ткань как упругая среда. Клетка как основа биологической ткани. Основные виды биологических тканей и их акустические свойства. Вязкоупругие свойства квазитвердых тел. Скорость звука, ее зависимость от температуры и давления. Количественные значения скорости звука в различных тканях. Методы измерения. Поглощение и рассеяние ультразвука в биологических тканях. Процессы релаксации. Основные механизмы поглощения. Рассеяние ультразвука в различных биологических тканях. Сечения взаимодействия акустической волны с тканью. Модели биологических сред: дискретные рассеиватели, неоднородный континуум рассеивателей. Акустический импеданс. Отражение ультразвука от границ раздела различных видов биологической ткани.

IV. ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ – 4 ч. Принципы ультразвуковой визуализации. Сравнительный анализ рентгеновского и ультразвукового методов визуализации. Акустическая визуализация в режиме A. Ультразвуковая визуализация в режиме B. Механические и электронные B-сканеры. Ультразвуковая визуализация в режиме M. Ультразвуковая визуализация в режиме C. Применение УЗ визуализации в акушерстве, офтальмологии, исследовании внутренних органов.

V. ПРОЧИЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ – 4 ч. Дифракционная томография. Акустическая голография. Акустическая микроскопия.

VI. ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА И ПРИНЦИПЫ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ КРОВОТОКА – 4 ч. Спектр доплеровского сигнала при непрерывном и импульсном зондировании. Доплеровский прибор непрерывного излучения. Импульсно-доплеровский измеритель скорости кровотока.

VII. ЭФФЕКТЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЗ ВОЛН В ТКАНЯХ, И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ – 4 ч. Тепловые эффекты, вызываемые ультразвуком. Физиологические основы ультразвуковой терапии. Хирургия с помощью сфокусированного ультразвука. Гипертермия и аблятермия. Ультразвук при лечении рака. Кавитация как причина повреждения биологической ткани. Виды кавитации. Пороги кавитации. Радиационное давление и генерация сдвиговых напряжений. Роль нелинейных акустических эффектов для ультразвуковых полей, применяемых в медицине.

VIII. УДАРНО-ВОЛНОВОЕ РАЗРУШЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ КОНКРЕМЕНТОВ – 4 ч. Ударно-волновые источники: электромагнитные, электроразрядные, пьезоэлектрические, лазерные. Принцип экстракорпоральной литотрипсии. Устройство и параметры современных литотриптеров. Особенности фокусировки ударных импульсов. Механизмы разрушения почечных и желчных камней.

IX. ПРИНЦИПЫ ВВЕДЕНИЯ В МЕДИЦИНСКУЮ ПРАКТИКУ НОВЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ – 2 ч. Эксперименты in vivo и in vitro. Фантомы биологических тканей. Практика и уровни облучения. Исследования на изолированных клетках. Исследования на многоклеточных организмах. Эффекты на костях и мягких тканях. Воздействие на кровь и кровеносные сосуды.

X. ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМЕНЕНИЙ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ – 2 ч. Параметры ультразвука, характеризующие его безопасность в различных применениях. Оценка безопасности применения ультразвука в медицине. Измерение биологически эффективных экспозиций и доз.


Учебно-методическое обеспечение дисциплины


Рекомендованная литература:

1. Применение ультразвука в медицине. Физические основы применения. Под ред. К. Хилла, Дж. Бэмбера, Г.тер Хаар. М.: Физматлит, 2008.

2. П. Грегуш. Звуковидение. М.: Мир, 1982.

4. P. Wells. Biomedical ultrasonics. Academic Press, 1977.

5. A. Briggs. Acoustic microscopy. Clarendon Press – Oxford, 1992.

6. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы. М.: Видар, 1999.

7. Kremkau F.W. Diagnostic Ultrasound. 6th ed. – Elsevier Science, 2002.

8. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (обзор). – Акуст.ж., 2003, т.49, №4, с.437-464.


Рекомендации преподавателю:

Изложение материала проводить с учетом прослушанных ранее студентами курсов по физике и математике. В частности, предполагается знание студентами основ акустики из курсов общей физики кафедрального спецкурса «Введение в акустику» (3 курс). Изложение спецкурса происходит в виде лекций. Рекомендуется, кроме изложения свойств акустических волн, рассказывать о тех свойствах биологических тканей, которые определяют распространение, отражение и рассеяние ультразвука. Проводится два коллоквиума (по темам I-V и VI-X) и несколько дополнительных контрольных для письменной проверки усвоения студентами материала лекций.


Рекомендации студентам:

При освоении материала использовать, в дополнение к прослушанным лекциям, рекомендованную литературу. Предполагается самостоятельное решение домашних заданий, которые даются преподавателем в виде задач по теме спецкурса.


Программу составили

доценты О.А. Сапожников и В.Г. Андреев