Физические принципы ультразвуковой визуализации тканей и органов человека

Ультразвуковая визуализация

Фото: medservices.info

Раздел физики ультразвука довольно полно освещен в ряде современных монографий по эхографии. Мы остановимся лишь на некоторых свойствах ультразвука, без знания которых невозможно понять процесс получения ультразвуковой визуализации.

Ультразвуковая визуализация — ультразвук

Ультразвук — это звук с частотой колебаний 20 000 в секунду и представляет собой волнообразно распространяющиеся колебательные движения частиц упругой среды. Ультразвук имеет волновую природу, и его распространение подчиняется тем же законам, что и распространение света. Смещаясь в среде, частицы образуют участки повышенного и пониженного давления, чередующиеся с определенной частотой (волны). Графически ультразвук может быть представлен в виде синусоидальных волн, для которых характерны амплитуда, длина и частота.

Различают несколько типов ультразвуковых волн: продольные, поперечные, изгибные, поверхностные и волны растяжения, однако основными являются продольный и поперечные (сдвиговым).

В биологических средах распространяются только продольные ультразвуковые колебания, которые и используются в диагностической аппаратуре.

Структура продольной волны представляет чередование зон сжатия и разжатия и связана с тем, что направление колебания частиц совпадает с направлением распространения волны.

Длина волны (λ)

Расстояние между двумя точками среды, находящимися в одинаковой фазе колебания. Длина и частота колебаний имеют обратно пропорциональную зависимость.

Период колебания

Время, затраченное на фазы сжатия и разрежения.

Частота колебаний

Число чередований сжатий и разрежений в единицу времени.

За единицу частоты колебаний в физике принят Герц, который соответствует одному колебанию в одну секунду. Для исследования тканей человека используется частота от 1 до 10 МГц. 1 МГц равен 1 млн. колебаний в секунду.

Амплитуда колебаний

Величина, которая при одной и той же частоте колебаний характеризует мощность ультразвуковой энергии.

Интенсивность колебаний

Количество энергии, проходящей за 1 секунду через 1 м2площади, расположенной перпендикулярно к направлению распространения ультразвукового луча (Вт/см2).

Скорость распространения ультразвука в среде зависит от свойств среды, т.е. от плотности, ее упругих свойств и температуры. Скорость распространения ультразвука прямо пропорциональна длине волны и частоте колебаний и составляет в тканях человека при температуре 37°С примерно 1540 м/с. Эта величина в тканях человека является почти постоянной, в связи с чем и используется для калибровки ультразвуковой аппаратуры при измерениях. В клинических исследованиях чаще используется частота колебаний 2.25-3.5 МГц.

Поглощение ультразвуковых колебаний и их рассеивание характеризуют глубину проникновения ультразвука в ткани. Уровень потери энергии ультразвука при прохождении через среду зависит от частоты колебаний, плотности среды и ее теплопроводимости. Для определения степени поглощения и ослабления ультразвука в ткани в 1956 г. D. Goldman ввел термин «глубина полупоглощения», отражающий расстояние, которое должен пройти ультразвук в данной среде, пока его энергия не уменьшится вдвое.

Распространение ультразвуковых колебаний зависит от длины волны. Если длина волны значительно превышает диаметр пластины излучателя, то звуковые волны распространяются во все стороны в форме сферических волн. Если длина волны уменьшается, ультразвуковая энергия концентрируется в луче. Ультразвуковые волны, излучаемые датчиком, имеют очень малую длину волны, вначале они идут параллельно, а затем расходятся.

Ниже приводится значение половинного затухания для разных сред и расстояния, при которых ультразвуковые волны с частотой 2 МГц теряют половину своей энергии.

Ультразвуковая визуализацияРасстояние (l), на котором луч остается параллельным, полностью зависит от радиуса (r) датчика и длины (λ) волны:

l = r2/λ

Для уменьшения степени расхождения луча в датчиках используются фокусированные ультразвуковые линзы с разной степенью кривизны, позволяющие создавать фокусную зону на различном расстоянии от датчика.

Отражение ультразвука

Различные среды обладают различными свойствами, в связи с чем и характер прохождения ультразвука зависит от ультразвукового сопротивления среды (акустического импеданса), который равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны. Даже при незначительном различии плотностей между тканями возникает эффект раздела фаз (interface).

Отражение ультразвука определяется нескольким и факторами:

— разностью акустического импеданса сред (чем больше разность, тем больше отражение);

— чем ближе угол падения к 900, тем больше отражение;

— размер объекта должен быть не менее длины волны;

— для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой, то есть с меньшей длиной волны;

— чем короче длина волны, тем выше частота ультразвука, тем меньше допусти мое расстояние между двумя границами раздела сред, от которых возможно отражение, и тем выше разрешающая способность аппарата.

Следует отметить, что, чем выше частота, тем меньше глубина проникновения ультразвука и тем легче происходит его затухание. Структуры, в которых происходит полное затухание, то есть через которые ультразвук не может проникнуть, дают после себя акустическую тень. Такой полный ультразвуковой эффект дают воздух, кости, твердые камни желчного пузыря, почек, мочевого пузыря, некоторые кальцификаты паренхиматозных органов и кальцинированные клапаны сердца.

Скорость ультразвука и удельное волновое сопротивление тканей человека (по В.Н. Демидову)

Ультразвуковая визуализацияУльтразвуковая волна, достигнув границы двух сред, может отразиться или пойти дальше. Коэффициент отражения ультразвука зависит от разности ультразвукового сопротивления на границе раздела сред: чем больше эта разность, тем сильнее степень отражения. Степень отражения зависит от угла падения луча на поверхность раздела сред: чем больше угол приближается к прямому, тем сильнее степень отражения.

Таким образом, зная это, можно найти оптимальную ультразвуковую частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности.

Основные принципы, на которых основано действие ультразвуковой диагностической аппаратуры, — это распространение и отражение ультразвука.

Принцип работы диагностических ультразвуковых приборов заключается в отражении ультразвуковых колебаний от границ раздела тканей, обладающих определенной величиной акустического сопротивления. Считается, что отражение ультразвуковых волн на границе раздела происходит при разности акустических плотностей сред не менее 1%. Величина отражения звуковых волн зависит от разности акустической плотности на границе раздела сред, а степень отражения – от угла падения ультразвукового луча.

Получение ультразвуковых колебаний

В основе получения ультразвуковых колебаний лежит прямой и обратный пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что при создании электрических зарядов на поверхности граней кристалла последний начинает сжиматься и растягиваться. Преимуществом пьезоэлектрических преобразователей является способность источника ультразвука служить одновременно и его приемником.

Схема строения ультразвукового датчика

Ультразвуковая визуализацияДатчик содержит пьезокристалл, на гранях которого закреплены электроды. Сзади кристалла находится прослойка вещества, поглощающая ультразвук, который распространяется в направлении, противоположном требуемому. Это повышает качество получаемого ультразвукового луча. Обычно ультразвуковой луч, генерируемый датчиком, имеет максимальную мощность по центру, а по краям она снижается, в результате чего разрешающая способность ультразвука различна по центру и по периферии. По центру луча всегда можно получить устойчивые отражения как от более, так и от менее плотных объектов, тогда как по периферии луча менее плотные объекты могут давать отражение, а более плотные отражаться как менее плотные.

Современные пьезоэлектрические материалы позволяют датчикам посылать и принимать ультразвук в широком диапазоне частот. Возможно проведение контроля над формой спектра акустического сигнала, создавая и сохраняя гауссову форму сигнала, которая в большей мере устойчива к искажениям полосы частот и смещению центральной частоты.

В последних конструкциях ультразвуковых приборов высокая разрешающая способность и четкость изображения обеспечиваются использованием системы динамического фокуса и широкополосного эхофильтра фокусировки входящих и выходящих ультразвуковых лучей посредством микрокомпьютера. Таким образом обеспечиваются идеальное профилирование и улучшение ультразвукового луча и характеристик боковой разрешающей способности изображения глубоких структур, получаемых при секторном сканировании. Параметры фокусировки устанавливаются в соответствии с частотой и типом датчика. Широкополосный эхофильтр обеспечивает оптимальную разрешающую способность за счет идеального сочетания частот с учетом поглощения эхосигналов, проходящих через мягкие ткани. Использование многоэлементных датчиков высокой плотности способствует устранению ложных эхосигналов, появляющихся вследствие боковой и задней дифракции.

Сегодня в мире происходит жесточайшая конкуренция фирм по созданию качественных визуальных систем, отвечающих самым высоким требованиям.

В частности, корпорация «Acuson» установила особый стандарт качества изображения и клинической разновидности, разработала Платформу 128 ХР TM — базовый модуль для постоянных усовершенствований, которая позволяет врачам расширять сферу клинических исследований в зависимости от потребностей.

В Платформе используются 128 электронно-независимых каналов, которые можно задействовать одновременно как на передаче, так и на приеме, обеспечивая исключительное пространственное разрешение, контрастирование тканей и однородность изображения во всем поле обзора.

Ультразвуковые диагностические приборы делятся на три класса: одномерные, двухмерные и трехмерные.

В одномерных сканерах информация об объекте представляется в одном измерении по глубине объекта, а изображение регистрируется в виде вертикальных пиков. По амплитуде и форме пиков судят о структурных свойствах ткани и глубине участков отражения эхосигналов. Этот тип приборов используется в эхо-энцефалографии для определения смещения срединных структур мозга и объемных (жидкостных и плотных) образований, в офтальмологии — для определения размера глаза, наличия опухолей и инородных тел, в эхопульсографии – для исследования пульсации сонных и позвоночных артерий на шее и их интракраниальных ветвей и т.д. Для этих целей используется частота 0.88-1.76 МГц.

Двухмерные сканеры

Двухмерные сканеры делятся на приборы ручного сканирования и работающие в реальном режиме времени.

В настоящее время для исследования поверхностных структур и внутренних органов используются лишь приборы, работающие в реальном масштабе времени, в которых информация непрерывно отражается на экране, что дает возможность вести динамическое наблюдение за состоянием органа, особенно при исследовании движущихся структур. Рабочая частота данных приборов от 0.5 до 10.0 МГц.

На практике чаще применяются датчики с частотой от 2.5 до 8 МГц.

Трехмерные сканеры

Для их применения требуются определенные условия:

— наличие образования, имеющего округлую или хорошо контурированную форму;

— наличие структурных образований, находящихся в жидкостных пространствах (плод в матке, глазное яблоко, камни в желчном пузыре, инородное тело, полип в заполненном жидкостью желудке или кишечнике, червеобразный отросток на фоне воспалительной жидкости, а также все органы брюшной полости на фоне асцитической жидкости);

— малоподвижные структурные образования (глазное яблоко, простата и др.).

Таким образом, с учетом этих требований трехмерные сканеры с успехом могут быть применены для исследования в акушерстве, при объемной патологии брюшной полости для более точной дифференциации от других структур, в урологии для исследования простаты с целью дифференциации структурной пенетрации капсулы, в офтальмологии, кардиологии, неврологии и ангиологии.

Из-за сложности использования, дороговизны аппаратуры, наличия многих условий и ограничений в настоящее время они применяются редко. Однако трехмерное сканированиеэто эхография будущего.

Доплерэхография

Принцип доплерэхографии заключается в том, что частота ультразвукового сигнала при отражении от движущегося объекта изменяется пропорционально его скорости и зависит от частоты ультразвука и угла между направлением распространения ультразвука и направлением потока. Этот метод с успехом применяется в кардиологии.

Метод представляет интерес и для внутренней медицины в связи с его возможностями давать достоверную информацию о состоянии кровеносных сосудов внутренних органов без введения контрастных веществ в организм.

Чаще используется в комплексном обследовании больных с подозрением на портальную гипертензию на ранних ее стадиях, при определении степени выраженности нарушений портального кровообращения, выяснении уровня и причины блокады в системе воротной вены, а также для изучения изменения портального кровотока у больных с циррозом печени при администрировании медикаментозных препаратов (бетаблокаторов, ингибиторов АПФ и др.).

Все приборы оснащены ультразвуковыми датчиками двух типов: электромеханическими и электронными. Оба типа датчиков, но чаще электронные, имеют модификации для использования в различных областях медицины при обследовании взрослых и детей.

Ультразвуковая визуализацияУльтразвуковая визуализацияВ классическом варианте реального масштаба времени применяются 4 метода электронного сканирования: секторное, линейное, конвексное и трапециедальное, каждый из которых характеризуется специфическими особенностями в отношении поля наблюдения. Исследователь может выбрать метод сканирования в зависимости от стоящей перед ним задачи и места локации.

Секторное сканирование

Преимущества:

— небольшая площадь контакта с поверхностью тела пациента;

— большое поле зрения при исследовании глубоких участков.

Область применения:

— краниологические исследования новорожденных через большой родничок;

— кардиологические исследования;

— общие абдоминальные исследования органов малого таза (особенно в гинекологии и при исследовании простаты), органов ретроперитонеальной системы.

Линейное сканирование

Преимущества:

— большое поле зрения при исследовании неглубоких участков тела;

— высокая разрешающая способность при исследовании глубоких участков тела благодаря использованию многоэлементного датчика;

— легкая идентификация томографических срезов.

Область применения:

— поверхностные структуры;

— кардиология;

— общие абдоминальные исследования;

— исследование органов малого таза и паранефральной области;

— в акушерстве.

Конвексное сканирование

Преимущества:

— небольшая площадь контакта с поверхностью тела пациента;

— большое поле наблюдения при исследовании глубоких участков.

Область применения:

— общие абдоминальные исследования.

Трапециедальное сканирование

Преимущества:

— большое поле наблюдения при исследовании близко к поверхности тела и глубоко расположенных органов;

— легкая идентификация томографических срезов.

Область применения:

— общие абдоминальные исследования;

— акушерские и гинекологические.

Кроме общепринятых классических методов сканирования в конструкциях последних приборов применяются технологии, позволяющие качественно дополнить их.

Векторный формат сканирования

Преимущества:

— при ограниченном доступе и сканировании из межреберья обеспечивает акустические характеристики п р и минимальной апертуре датчика. Векторный формат визуализации дает более широкий обзор в ближнем и дальнем поле.

Область применения такая же, как при секторном сканировании.

Сканирование в режиме выбора зоны увеличения

Это особое сканирование выбранной оператором зоны интереса для повышения акустического информационного содержания изображения в двухмерном и цветном доплеровском режиме. Выбранная зона интереса отображается с полным использованием акустических и растровых линий. Повышение качества изображения выражается в оптимальной плотности линий и пикселей, повышенном разрешении, повышении частоты кадров и увеличении изображения.

При обычном участке остается прежняя акустическая информация, а при обычном формате выбора зоны увеличения RES достигается увеличение изображения с повышенным разрешением и большой диагностической информацией.

Визуализация Мульти-Герц

Широкополосные пьезоэлектрические материалы обеспечивают современным датчикам возможность работать в широком диапазоне частот; представляют возможность выбора конкретной частоты из широкой полосы частот, имеющихся в датчиках, сохраняя при этом однородность изображения. Эта технология позволяет менять частоту датчика одним лишь нажатием кнопки, не тратя время на замену датчика. А это означает, что один датчик эквивалентен двум или трем частным характеристикам, что повышает ценность и клиническую разносторонность датчиков («Acuson», «Simens»).

Нужная ультразвуковая информация в последних инструкциях приборов может быть заморожена в разных режимах: B-mode, 2B-mode, 3D, В+В mode, 4B-mode, M-mode и регистрироваться при помощи принтера на специальной бумаге, на компьютерной кассете или видеоленте с компьютерной обработкой информации.

Ультразвуковая визуализация органов и систем человеческого организма непрерывно совершенствуется, постоянно открываются новые горизонты и возможности, однако правильная интерпретация полученной информации всегда будет зависеть от уровня клинической подготовки врача-исследователя.

В связи с этим я часто вспоминаю разговор с представителем фирмы «Aloca», приежавшим к нам сдать в эксплуатацию первый прибор в реальном масштабе времени «Aloca» SSD 202 D (1982 г.). На мое восхищение тем, что в Японии разработана технология ультразвукового прибора с компьютерной обработкой изображения он ответил так: «Компьютер — это хорошо, но если другой компьютер (показывая на голову) плохо работает, то тот компьютер ничего не стоит».

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Оцените эту статью

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

один × два =

Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.