Ультразвуковые методы исследования

Ультразвуковые методы исследования.

Введение

Возрастающее значение визуализирующих диагностических методик в клинической практике следует объяснять сту­дентам-медикам уже на ранних этапах образования. Ши­рокое распространение и неинвазивный характер сонографии требуют уже сегодня знакомить завтрашних врачей с этой сравнительно безопасной методикой. Не секрет, что подавляющее число специалистов ультразву­ковой диагностики проходили и проходят первичную специа­лизацию на рабочем месте, т.е. за спиной врача, проводящего обычный прием больных. Если везет - удается увидеть дос­таточно широкий спектр патологии, нет — только наиболее распространенные заболевания. В результате подготовка врача, вер­нувшегося после такого обучения, страдает большими пробе­лами в специальном образовании. В практической работе пе­ред ним возникает огромное количество вопросов, которые тре­буют немедленного ответа.

В то же время следует подчеркнуть, что каждый сонографический диагноз хорош настолько, насколько хорош специ­алист по ультразвуковой диагностике. Неправильных диаг­нозов можно избежать за счет глубокого знания анатомии и ультразвуковой морфологии, неослабевающей скрупулез­ности и, когда это необходимо, сопоставления с результа­тами других визуализирующих исследований. Начальный успех («Я уже вижу все паренхиматозные органы») не дол­жен порождать самоуверенности во время обучения. Дей­ствительно глубокие знания могут быть получены только путем длительной самостоятельной работы в клинике, на­копления практического опыта, изучения анатомических особенностей нормы и патологии.

При этом, тщательно подготовленный дидактический ма­териал, отражающий многолетний клинический опыт будет, стимулировать и возмож­но даже вдохновит многих обучающихся.

Теоретические основы метода

Звук — это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находится в той же плос­кости, что и направление распространения энер­гии. Волна переносит энергию, но не ма­терию. Верхняя граница слышимого звука — 20000 Гц. Звук с частотой, превышающей эту величину, называется ультразвуком. Частота — эго число полных колебаний (циклов) за период вре­мени в 1 секунду. Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц — это одно колебание в секунду. Один мега­герц = 1000000 герц. В современных ультразвуковых при­борах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше.

Для получения ультразвука используются специ­альные преобразователи или трансдьюсеры, кото­рые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте, упражнения. Суть эф­фекта состоит в том, что если к определенным ма­териалам (пьезоэлектрикам) приложить электриче­ское напряжение, то произойдет изменение их формы. С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пье­зоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет измене­ние формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжимать­ся и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ульт­развуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная частота) определяется отношением скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Возвращающиеся сигналы вызывают коле­бания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик узи. Обычно в ультразвуковых приборах для из­лучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы. Поэтому термины "преобразо­ватель", "трансдьюсер", "датчик" являются синони­мами.

В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука не­обходима среда — он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать ря­дом параметров. Кроме частоты это, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплиту­да и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения — средой, а длина вол­ны — и источником звука, и средой.

Период — это время, необходимое для получения одного полно­го цикла колебаний. Единицами измере­ния периода являются секунда (с) и микросекунда (мкс). Одна микросекунда является одной милли­онной долей секунды. Период (мкс) = 1/частота (МГц).

Длина волны - это длина, которую занима­ет в пространстве одно колебание . Еди­ницы измерения — метр (м) и миллиметр (мм). Ско­рость распространения ультразвука — это ско­рость, с которой волна перемещается в среде. Еди­ницами скорости распространения ультразвука яв­ляются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микро­секунду (мм/мкс). Скорость распространения ульт­развука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука уве­личивается при увеличении упругости и уменьшении плотности среды.

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела чело­века составляет 1540 м/с — на эту скорость запро­граммировано большинство ультразвуковых диаг­ностических приборов.

Эта величина, введенная в программу компьютера, основана на допущении, что скорость рас­пространения звука в тканях постоянна. Однако звук проходит через печень со скоростью около 1570 м/с, в то время как через жировую ткань идет с меньшей скорос­тью — около 1476 м/с. Предполагаемое среднее значение скорости, которое хранится в компьютере, приводит к некоторым отклонениям, но не вызывает больших иска­жений.

Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны () свя­заны между собой следующим уравнением: С= f х .

Так как в нашем случае скорость считается по­стоянной (1540 м/с), то оставшиеся две перемен­ные f и связаны между собой обратно пропор­циональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объ­ектов, которые мы можем увидеть.

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается трансдьюсером непрерывно (посто­янной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный).

Эти колебания испускаются кристаллом (пьезоэлектрический эф­фект) как звуковая волна точно так же, как звуковые волны испускаются мембраной громкоговорителя, хотя частоты, используемые в сонографии, не слышны челове­ческим ухом.

В зависимости от цели применения, монографическая частота может быть от 2.0 до 15.0 МГц.

Для характеристики импульсного ультразвука используются дополни­тельные параметры. Частота повторения импуль­сов — это число импульсов, излучаемых в едини­цу времени (секунду). Частота повторения им­пульсов измеряется в герцах (Гц) и килогерцах (кГц).

Продолжительность импульса — это вре­менная протяженность одного импульса.

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мкс).

Фактор занятости — это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импуль­сов) ультразвука.

Пространственная протяжен­ность импульса (ППИ) — это длина пространст­ва, в котором размещается один ультразвуковой импульс.

Для мягких тканей простран­ственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1.54 (скорость распространения ультразвука в мм/мкс) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или, ППИ = 1,54хn/f.

Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колеба­ний в импульсе или увеличения частоты.

Ампли­туда ультразвуковой волны - это максимальное отклонение наблюдаемой физической перемен­ной от среднего значения

Интенсив­ность ультразвука — эго отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см).

При равной мощности излучения, чем меньше площадь пото­ка, тем выше интенсивность. Интенсивность так­же пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ульт­развука, во времени.

При прохождении через любую среду будет на­блюдаться уменьшение амплитуды и интенсивно­сти ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вы­зывается поглощением, отражением и рассеивани­ем. Единицей затухания является децибел (дБ). Ко­эффициент затухания - это ослабление ультразву­кового сигнала на единицу длины пути этого сиг­нала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты.

Звуковые волны от датчика УЗИ, состоящего из множества кристаллов, проникают через ткани, отражаются и возвращаются как эхо к датчику узи. Вернувшиеся эхосигналы в обратном порядке преобразуются кристаллами в электрические импульсы и используются затем компьюте­ром для построения сонографического изображения.

Преломление — это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им грани­цы сред с различными скоростями приведения ультразвука. Синус угла преломления равен про­изведению синуса угла падения на величину, по­лученную от деления скорости распространения ультразвука во второй среде на скорость в первой. Синус угла преломления, а, следовательно, и сам угол преломления тем больше, чем больше раз­ность скоростей распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух сре­дах равны или угол падения равен 0. Говоря об от­ражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда длина волны много больше размеров неров­ностей отражающей поверхности, имеет место зер­кальное отражение.

Еще одним важ­ным параметром среды является акустическое со­противление.

Акустическое сопротивление - это произведение значения плотности среды и ско­рости распространения ультразвука. Сопротивле­ние (Z) = плотность () х скорость распростране­ния (С).

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопро­тивлением и скоростью проведения ультразву­ка возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения. В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под уг­лом) падения ультразвукового луча. При наклонном паде­нии ультразвукового луча определяют угол паде­ния, угол отражения и угол преломления. Угол падения равен углу отражения. При перпенди­кулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется. Интенсивность отраженного ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зави­сит от исходной интенсивности и разности аку­стических сопротивлений сред. Отношение ин­тенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом от­ражения. Отношение интенсивности ультразвуко­вой волны, прошедшей через границу сред, к ин­тенсивности падающей волны называется коэффи­циентом проведения ультразвука. Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одина­ковое акустическое сопротивление — отражения ультразвука не будет. С другой стороны, при боль­шой разнице акустических сопротивлении интен­сивность отражения стремится к 100%. Примером этого служит страница воздух/мягкие ткани. На гра­нице этих сред происходит практически полное от­ражение ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды (гель). Звуковые волны отражаются от границы раздела между средами с различной акустической плотностью (т.е. различным распространением звука). Отражение зву­ковых волн пропорционально разнице акустической плот­ности: умеренная разница будет отражать, и возвращать часть звукового луча к датчику, ос­тавшиеся звуковые волны будут передаваться и проникать дальше в слои тканей, лежащие глубже. Если разница в акустической плотности больше, интенсивность отраженного звука также увеличивается, а интенсивность проникающего дальше зву­ка пропорционально уменьшается. Если акустическая плот­ность существенно различается, зву­ковой луч полностью отражается, и в результате образуется тотальная акустическая тень (полное отражение). Аку­стическая тень наблюдается позади костей (ребра), камней (в почках или желчном пузыре) и газа (газ в кишечнике).

Эхосигналы не появляются, если нет различий в акустической плотности граничащих сред: гомогенные жидкости (кровь, желчь, моча и содержимое кист, а также асцитическая жидкость и плев­ральный выпот) выглядят как эхонегативные (черные) структуры, например, желчный пузырь и печеночные сосуды.

Процессор УЗ аппарата рассчитывает глубину, на которой возникло эхо, путем регистрации разницы времени между момента­ми излучения акустической волны и получения эхосигнала. Эхосигналы от тканей, лежащих рядом с датчиком, возвращаются раньше, чем от тканей, лежащих на глу­бине.

В случае если длина волны сопоставима с неровностями от­ражающей поверхности или имеется неоднород­ность самой среды, происходит рассеивание ульт­развука. При обратном рассеивании ультразвук отражается в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов увеличивается с увеличением неоднород­ности среды и увеличением частоты (т.е. уменьше­нием длины волны) ультразвука. Рассеивание от­носительно мало зависит от направления падающе­го луча и, следовательно, позволяет лучше визуа­лизировать отражающие поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Для того, чтобы отражен­ный сигнал был правильно расположен на экране, необходимо знать не только направление излучен­ного сигнала, но и расстояние до отражателя. Это расстояние равно 1/2 произведения скорость и ультразвука в среде на время между излучением и прие­мом отраженного сигнала. Произведе­ние скорости на время делится пополам, так как ультразвук проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад), а нас интересует только расстояние от излучателя до отражателя.

В то же время, перед тем как вернуться к датчику, эхо может отражаться не­сколько раз назад и вперед, что занимает время движения, не соответствующее расстоянию до места его возникновения. Процессор УЗ аппарата ошибочно располагает эти реверберационные сигналы в более глубоком слое.

Применение в общемедицинской практике

Известно, что прохождение ультразвука через биологические объекты вызывает два вида эффектов: механические и тепловые. Поглощение энергии звуковой волны приводит к её затуханию, а высвободившаяся энергия трансформируется в тепловую. Причём выраженность разогрева взаимосвязана с интенсивностью УЗ - излучения. Частным случаем биологических эффектов ультразвука является кавитация. При этом в озвученной жидкости формируется множество пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью.

Рис. 1. Тест-объект Американского института ультразвука в медицине

Американ­ский институт ультразвука в медицине на основании анализа результатов исследований воздействия ультразвука, на клетки растений и животных в 1993 году сделал следую­щее заявления: “Никогда не сообщалось о подтвержденных био­логических эффектах у пациентов или лиц, рабо­тающих на приборе, вызванных облучением (ульт­развуком), интенсивность которого типична для со­временных ультразвуковых диагностических уста­новок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использо­вании диагностического ультразвука перевешива­ет потенциальный риск, если таковой вообще су­ществует'’.

Происходит постоянное совершенствование ультра­звуковых диагностических приборов и бурное развитие ультразвуковой ди­агностики,.

Представляется перспективным дальнейшее совершенствование доп­плеровских методик, особенно таких, как энерге­тический допплер, допплеровская цветовая визуа­лизация тканей.

Вариант цветового допплеровского картирования получил название "энергетического допплера" (Power Doppler). При энергетическом допплере определяется не значение допплеровско­го сдвига в отраженном сигнале, а его энергия. Та­кой подход позволяет повысить чувствительность ме­тода к низким скоростям, сделать её почти угол независимой, правда, ценой потери возможности оп­ределения абсолютного значения скорости, и направ­ления потока.

В будущем может стать весьма важным направлением ультразвуковой ди­агностики трехмерная эхография. На сегодняшний день существуют не­сколько коммерчески доступных ультразвуковых диагностических установок, позволяющих прово­дить трехмерную реконструкцию изображений, од­нако, вопрос о клиническом значении этого направле­ние остается открытым.

В конце шестидесятых годов прошлого тысячелетия были впервые применены ультразвуковые контра­сты. Для визуализации правых отделов сердца в настоящее время существует ком­мерчески доступный контраст “Эховист" (Шеринг). Препарат следующего поколения, полученный путём умень­шения размеров частиц контраста, может рецир­кулировать в кровеносной системе человека (“Левовист”, Шеринг). Этот контраст существенно улуч­шает допплеровский сигнал, как спектральный, так и цветовой, что может оказаться существенным для оценки опухолевого кровотока.

Использование ультратонких датчиков при внутриполостной эхографии открывает новые возможно­сти для исследования полых органов и структур. В то же время, широкое применение этой методики ограничивается высокой стоимо­стью специализированных датчиков, которые к тому же могут применяться для исследования ог­раниченное число раз.

Весьма перспективным направлением объективизации получаемой информации при УЗИ является компьютерная обработка изображений. В этом случае появляется возможность улучшить точность диагностики незначи­тельных структурных изменений в паренхиматоз­ных органах. Однако, полученные к настояще­му времени результаты существенного клиническо­го значения не имеют.

Основные сведения об используемом оборудовании

В качестве типичного примера сонографического оборудования рассмотрим устройство аппарата среднего класса (рис. 2).

Рис. 2. Панель управления УЗ аппарата (Toshiba)

Прежде всего, необходимо правильно ввести имя пациента (А, В), чтобы в дальнейшем правильно идентифицировать изображение. Клавиши для изменения программы обработки изображе­ния (С) или Lsugopa датчика (D) находятся в верхней поло­вине панели управления. На большинстве панелей клавиша остановки изображе­ния (FREEZE) (Е) находится в правом нижнем углу. После ее нажатия ультразвуковое изображение в реальном масшта­бе времени застывает. Мы рекомендуем всегда держать палец левой руки наготове. Это сокращает какую-либо задержку при остановке желаемого изображения с целью измерения, изу­чения или вывода на принтер. Для общего усиления получа­емых эхосигналов используется регулятор GAIN (F). Для избирательно­го управления эхосигналами на разной глубине усиление можно выборочно изменять с помощью ползунковых ре­гуляторов (G), компенсируя потери сигнала, связанные с глубиной. С помощью «колобка» (I) изображение можно смещать вверх или вниз, увеличивать или уменьшать раз­мер поля зрения, а также размещать метки или маркеры для измерения в любом месте экрана. Режим работы «ко­лобка» (измерение или ввод комментариев) устанавлива­ется соответствующими клавишами. Чтобы облегчить пос­ледующее изучение сонограммы, рекомендуется до выведения изображения на принтер (М) выбрать соответ­ствующий маркер тела (L) и с помощью «колобка» (I) от­метить позицию датчика. Остальные функции не столь важ­ны и могут быть изучены позже в процессе работы с аппаратом.

Сердцем современных сонографических комплексов являет­ся главный генератор импульсов (в современных аппаратах — мощный процессор), который управ­ляет всеми системами ультразвукового прибора. Генератор импульсов посылает электри­ческие импульсы на трансдьюсер, который генери­рует ультразвуковой импульс и направляет его в ткани, принимает отраженные сигналы, преобразо­вывая их в электрические колебания. Эти электри­ческие колебания далее направляются на радио­частотный усилитель, к которому обычно подклю­чается временно-амплитудный peгулятop усиления (ВАРУ, регулятор компенсации тканевого поглоще­ния по глубине) Ввиду того, что затухание ультразвукового сигнала в тканях происходит по экспо­ненциальному закону, яркость объектов на экране с увеличением глубины прогрессивно падает. Использование линейного усилителя, т.е. усилителя, пропорционально усиливающего все сигналы, привело бы к переусилению сигналов в непосредственной близости от датчика при попытке улучшения визуализации глубоко расположенных объектов. Использование логарифмических усили­телей позволяет решить эту проблему. Ультразву­ковой сигнал усиливается пропорционально време­ни задержки его возвращения — чем позже вернул­ся, тем сильнее усиление. Таким образом, приме­нение ВАРУ позволяет получить на экране изобра­жение одинаковой яркости по глубине. Усиленный таким образом радиочастотный электрический сиг­нал подается затем на демодулятор, где он выпрям­ляется и фильтруется и еще раз усиленный на видеоусилителе подается на экран монитора.

Для сохранения изображения на экране мони­тора необходима видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые мо­ниторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной форме. Устройство, на­зываемое дискриминатором, позволяло изменять порог дискриминации — сигналы, интенсивность которых была ниже порога дискриминации, не про­ходили через него и соответствующие участки эк­рана оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог дискриминации, пред­ставлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависела от абсолютного значе­ния интенсивности отраженного сигнала — все бе­лые точки имели одинаковую яркость. При таком способе представления изображения — он получил название "бистабильный" хорошо были видны границы органов и структуры с высокой отражаю­щей способностью (например, почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных орга­нов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов, которые позволяли переда­вать на экране монитора оттенки серого цвета, зна­меновало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информа­цию, которая была недостижима при использова­нии приборов с бистабильным изображением. Раз­витие компьютерной техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изобра­жений к цифровым. Цифровые изображения в ульт­развуковых установках формируются на больших матрицах (обычно 512x512 пикселей) с числом гра­даций серого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на глубину 20 см на матрице 512x512 пикселей один пиксель будет соответствовать линейным размерам в 0.4 мм. На современ­ных приборах имеется тенденция к увеличению раз­меров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса (12 дюймовый <30 см по диагонали) экран становится обычным явле­нием.

Электронно-лучевая трубка ультразвукового при­бора (дисплей, монитор) использует остро сфоку­сированный пучок электронов для получения ярко­го пятна на экране, покрытом специальным фосфо­ром. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно перемещать по экрану. При А-типе разверт­ки (А — вместо английского слова “амплитуда” (Аmplitude)) по одной оси откладывается расстояние от датчика, по другой — интенсивность отраженного сигнала. В современных приборах А-тип развертки практически не используется. В-тип раз­вертки (В — вместо английского слова “яркость" (Brightness)) позволяет вдоль линии сканирования получить информацию об интенсивности отражен­ных сигналов в виде различия яркости отдельных точек, составляющих эту линию. М-тип (иногда ТМ) развертки (М — вместо английского слова ‘'движе­ние" (Motion)) позволяет регистрировать движение (перемещение) отражающих структур во времени. При этом по вертикали регистрируются перемеще­ния отражающих структур в виде точек различной яркости, а по горизонтали — смещение положения этих точек во времени. Для получения двумерного томографического изображения необ­ходимо тем или иным образом произвести переме­щение линии сканирования вдоль плоскости скани­рования. В приборах медленного сканирования это достигалось перемещением датчика вдоль поверх­ности тела пациента вручную.

Используемые в настоящее время сонографические аппа­раты могут работать с различными типами датчиков, что позволяет их использовать как в кабинете ультразвуковой диагностики, так и в отделениях интенсивной терапии и неотложной помощи. Датчики обычно хранятся на удерживающей стойке с правой стороны аппарата.

Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства и, в зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для приборов медленного сканирования (одноэлемент­ные) и быстрого сканирования (сканирования в ре­альном времени) — механические и электронные. Механические датчики могут быть одно- и много­элементными (анулярные). Развертка ультразвуково­го луча может достигаться за счет качания элемента, вращения элемента или качания акустического зеркала. Изображение на экране в этом случае имеет форму сектора (секторные датчики) или окружности (круговые датчики). Электронные датчики являются многоэлементными и в зависи­мости от формы получаемого изображения могут быть секторными, линейными, конвексными (вы­пуклыми). Развертка изображения в сек­торном датчике достигается за счет качания ульт­развукового луча с его одновременной фокусировкой. Секторальные датчики дают веерообразное изображе­ние, узкое вблизи датчика и расширяющееся по мере уве­личения глубины. Такое расходящееся распространение звука может быть получено за счет механического движения пьезоэлементов. Датчики, исполь­зующие такой принцип, дешевле, но имеют слабую изно­состойкость. Электронный вариант (фазовое управление) более дорогой и используются преимущественно в кар­диологии. Их рабочая частота 2.5—3.0 МГц. Помех, связан­ных с отражением звука ребрами, можно избежать, при­кладывая датчик в межреберные промежутки и выбирая оптимальное расхождение луча в диапазоне 60—90° для уве­личения глубины проникновения. Недостатками этих типов датчиков являются низкая разрешающая спо­собность в ближнем поле, уменьшение количества линий сканирования с увеличением глубины (пространственная разрешающая способность), сложность обращения.

В линейных и конвексных датчиков для узи сканеров развертка изображения достигается путем возбуждения группы элементов с пошаговым их переме­щением вдоль антенной решетки с одновременной фокусировкой.

Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного излучения образует ультра­звуковое поле, форма которого меняется в зави­симости от расстояния. В ряде случаев могут на­блюдаться дополнительные ультразвуковые "пото­ки", получившие названия боковых лепестков. Рас­стояние от диска на длину протяженности ближне­го поля (зоны) называется ближней зоной. Зона за границей ближней называется дальней. Прожженность ближней зоны равна отношению квадрата диаметра трансдьюсера к 4 длинам волны. В даль­ней зоне диаметр ультразвукового поля увеличи­вается. Место наибольшего сужения ультразвуко­вого луча называется зоной фокуса, а расстояние между трансдьюсером и зоной фокуса — фокусным расстоянием. Существуют различные способы фокусировки ультразвукового луча. Наиболее про­стым способом фокусировки является акустиче­ская линза. С ее помощью можно сфо­кусировать ультразвуковой луч на определенной глубине, которая зависит от кривизны линзы. Дан­ный способ фокусировки не позволяет оперативно изменять фокусные расстояние, что неудобно в практической работе.

Другим способом фокусировки является использование акустического зер­кала. В этом случае, изменяя расстоя­ние между зеркалом и трансдьюсером, мы будем менять фокусное расстояние. В современных при­борах с многоэлементными электронными датчи­ками основой фокусировки является электронная фокусировка. Имея систему электрон­ной фокусировки, мы можем с панели прибора изменять фокусное расстояние, однако, для каждого изображения мы будем иметь только одну зону фо­куса.

Так как для получения изображения исполь­зуются очень короткие ультразвуковые импульсы, излучаемые 1000 раз в секунду (частота повторе­ния импульсов 1 кГц), то 99,9% времени прибор работает как приемник отраженных сигналов. Имея такой запас времени, возможно, запрограммировать прибор таким образом, чтобы при первом по­лучении изображения была выбрана ближняя зона фокуса и информация, полученная с этой зоны, была сохранена. Далее — выбор следующей зоны фокуса, получение информации, сохранение. И так далее. В результате получается комбиниро­ванное изображение, сфокусированное по всей глубине. Следует, правда, отметить, что такой спо­соб фокусировки требует значительных временных затрат на получение одного изображения (кадра), что вызывает уменьшение частоты кадров и мер­цание изображения. Почему же столько усилий при­кладывается для фокусировки ультразвукового луча? Дело в том, что чем уже луч, тем лучше боко­вая (латеральная) разрешающая способность. Боковая разрешающая способность — это минимальное расстояние между двумя объек­тами, расположенными перпендикулярно направ­лению распространения энергии, которые пред­ставляются на экране монитора в виде раздельных структур. Боковая разрешающая спо­собность равна диаметру ультразвукового луча. Осевая разрешающая способность — это мини­мальное расстояние между двумя объектами, рас­положенными вдоль направления распространения энергии, которые представляются на экране мони­тора в виде раздельных структур. Осе­вая разрешающая способность зависит от пространственной протяженности ультразвукового им­пульса — чем короче импульс, тем лучше разреше­ние. Для укорочения импульса используется как ме­ханическое, так и электронное гашение ультразву­ковых колебаний. Как правило, осевая разрешаю­щая способность лучше боковой.

В настоящее время приборы медленного (руч­ного, сложного) сканирования представляют лишь исторический интерес. Морально они умерли с по­явлением приборов быстрого сканирования (при­боров, работающих в реальном времени). Однако их основные компоненты сохраняются и в совре­менных приборах (естественно, с использованием современной элементной базы).

Приборы быстрого сканирования, или как их чаще называют, приборы, работающие в реальном времени, в настоящее время полностью заменили приборы медленного, или ручного, сканирования. Это связано с целым рядом преимуществ, которы­ми обладают эти приборы: возможность оценивать движение органов и структур в реальном времени (т.е. практически в тот же момент времени); резкое уменьшение затрат времени на исследование; воз­можность проводить исследования через неболь­шие акустические окна. Если приборы медленного сканирования можно сравнить с фотоаппаратом (получение неподвижных изображений), то прибо­ры, работающие в реальном времени, с кино, где неподвижные изображения (кадры) с большой частотой сменяют друг друга, создавая впечатление движения. В приборах быстрого сканирования ис­пользуются, как уже говорилось выше, механиче­ские и электронные секторные датчики, электрон­ные линейные датчики, электронные конвексные (выпуклые) датчики, механические радиальные датчики. Некоторое время назад на ряде приборов появились трапециевидные датчики, поле зрения которых имело трапециевидную форму, однако, они не показали преимуществ относительно конвексных датчиков, но сами имели целый ряд недостат­ков.

В настоящее время наилучшим датчиком для исследования органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза является конвексный. Он обладает относительно небольшой контактной поверхностью и очень большим полем зрения в средней и дальней зонах, что упрощает и ускоряет проведение исследования.

Рабочие частоты таких датчиков от 2.5 МГц (у пациентов с ожирением) до 5 МГц (у худощавых пациентов), в среднем — 3.5—3.75 МГц. Такую конструкцию можно рассматривать как компромисс между линейными и секторальными датчиками. Конвексный датчик дает широкую ближнюю и дальнюю зоны изоб­ражения и легче в обращении, чем секторальный датчик. Однако плотность линий сканирования с увеличением рас­стояния от датчика уменьшается. При сканировании органов верхней части живота необходимо аккуратно управлять датчиком, чтобы избежать появления акустической тени от нижних ребер.

При сканировании ультразвуковым лучом ре­зультат каждого полного прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количест­ва вертикальных линий. Каждая пиния — это как минимум один ультразвуковой импульс.

Частота повторения импульсов для получения се­рошкального изображения в современных прибо­рах составляет 1 кГц (1000 импульсов в секунду). Существует взаимосвязь между частотой повторе­ния импульсов (ЧПИ), числом линий, формирующих кадр, и количеством кадров в единицу времени: ЧПИ = число линий х частота кадров. На экране мо­нитора качество получаемого изображения будет определяться, в частности, плотностью линий. Для линейного датчика плотность линий (линий/см) яв­ляется отношением числа линий, формирующих кадр, к ширине части монитора, на котором фор­мируется изображение. Линейные датчики испускают звуковые волны парал­лельно друг другу и создают прямоугольное изображение. Ширина изображения и количество линий сканирования постоянны по всей глубине. Достоинством линейных датчиков является хорошая разрешающая спо­собность в ближнем поле. Эти датчики используются преимущественно с высокой частотой (5.0—7.5 МГц и выше) для исследования мягких тканей и щитовидной железы. Недостатком их является большая площадь рабочей по­верхности, что ведет к появлению артефактов при прикла­дывании к искривленной поверхности тела из-за попадаю­щих между датчиком и кожей пузырьков газа. Кроме того, акустическая тень, которая образуется от ребер, мо­жет портить изображение. Как правило, линей­ные датчики не годятся для визуализации органов грудной клетки или верхней части живота. Для датчика секторного типа плотность линий (линий/градус) — отношение числа линий, формирующих кадр, к углу сектора. Чем выше частота кадров, установленная в прибо­ре, тем (при заданной частоте повторения импуль­сов) меньше число линий, формирующих кадр, тем меньше плотность линий на экране монитора, тем ниже качество получаемою изображения. Правда, при высокой частоте кадров мы имеем хорошее временное разрешение, что очень важно при эхокардиографических исследованиях.

Ультразвуковой метод исследования позволяет получать не только информацию о структурном со­стоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах. В основе этой способности ле­жит эффект Допплера — изменение частоты при­нимаемого звука при движении относительно сре­ды источника или приемника звука или тела, рас­сеивающего звук. Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной. Следова­тельно, если источник звука движется с постоян­ной скоростью, звуковые волны, излучаемые, в на­правлении движения как бы сжимаются, увеличи­вая частоту звука Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая сни­жение частоты звука. Путем сопостав­ления исходной частоты ультразвука с измененной возможно определить допплеровский сдвиги рас­считать скорость. Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источ­ник ультразвука может быть неподвижным (ультра­звуковой датчик), а в качестве отражателя ультра­звуковых волн могут выступать движущиеся эрит­роциты. Допплеровский сдвиг может быть как по­ложительным (если отражатель движется к источ­нику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука) в том случае, если направление падения ультразвукового луча не па­раллельно направлению движения отражателя, необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла и между падающим лучом и направлением движения отражателя. Для получения допплеровской информации применяются два типа устройств — постоянноволновые и импульсные. В постоянноволновом доп­плеровском приборе датчик состоит из двух трансдьюсеров: один из них постоянно излучает ультразвук, другой постоянно принимает отражен­ные сигналы. Приемник определяет допплеров­ский сдвиг, который обычно составляет -1/1000 частоты источника ультразвука (слышимый диапа­зон) и передает сигнал на громкоговорители и. параллельно на монитор для качественной и количественной оценки кривой. Постоянноволновые приборы детектируют кровоток почти по всему ходу ультразвукового луча или. другими словами, имеют большой контрольный объем. Это может вызвать получение неадекватной информации при попадании в контрольный объем нескольких сосудов. Однако большой контрольный объем бывает, полезен при расчете падения давления при cтeнозе клапанов сердца. Для того чтобы оценить кровоток в какой-либо конкретной области, необходимо разместить кон­трольный объем в исследуемой области (например, внутри определенного сосуда) под визуальным кон­тролем на экране монитора. Это может быть дос­тигнуто при использовании импульсного прибора. Существует верхний предел допплеровского сдви­га, который может быть детектирован импульсны­ми приборами (иногда его называют пределом Найквиста). Он составляет примерно 1/2 частоты повто­рения импульсов. При его превышении происходит искажение допплеровского спектра (aliasing) Чем выше частота повторения импульсов, тем больший допплеровский сдвиг может быть определен без искажений, однако, тем ниже чувствительность прибора к низкоскоростным потокам.

Ввиду того, что ультразвуковые импульсы, на­правляемые в ткани, содержат большое количест­во частот помимо основной, а также из-за того, что скорости отдельных участков потока неодинаковы, отраженный импульс состоит из большого количе­ства различных частот. С помощью бы­строго преобразования Фурье частотный состав импульса может быть представлен в виде спектра, который может быть изображен на экране монито­ра в виде кривой, где по горизонтали откладыва­ются частоты допплеровскою сдвига, а по вертикали — амплитуда каждой составляющей. По доп­плеровскому спектру, возможно, определять боль­шое количество скоростных параметров кровото­ка (максимальная скорость, скорость в конце диа­столы, средняя скорость и т.д.), однако, эти показатели являются углозависимыми и их точность крайне зависит от точности коррекции угла. И если в крупных неизвитых сосудах коррекция угла не вы­зывает проблем, то в мелких извитых сосудах (со­суды опухоли) определить направление потока дос­таточно сложно. Для решения этой проблемы был предложен ряд почти уголнезависимым индексом наиболее распространенными из которых являют­ся индекс резистентности и пульсаторный индекс. Индекс резистентности является отношением раз­ности максимальной и минимальной скоростей к максимальной скорости потока. Пульсаторный индекс является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к средней скорости потока.

Получение допплеровского спектра с одною кон­трольного объема позволяет оценивать кровоток в очень небольшом участке. Цветовая визуализация потоков (цветовое допплеровское картирование) по­зволяет получать двумерную информацию о крово­токах в реальном времени в дополнение к обычной серошкальной двумерной визуализации. Цветовая допплеровская визуализация расширяет возможно­сти импульсного принципа получения изображения Сигналы, отраженные от неподвижных структур, рас­познаются и представляются е серошкальном виде. Если отраженный сигнал имеет частоту, отличную от излученного, то это означает, что он отразился от дви­жущегося объекта. В этом случае производится оп­ределение допплеровского сдвига, его знак и вели­чина средней скорости. Эти параметры используют­ся для определения цвета, его насыщенности и яр­кости. Обычно направление потока к датчику кодиру­ется красным, а отдатчика — синим цветом. Яркость цвета определяется скоростью потока.

Для правильной интерпретации ультразвукового изображе­ния обязательно знание физических свойств звука, лежа­щих в основе образования артефактов.

Артефакт в ультразвуковой диагностике — это появ­ление на изображении несуществующих структур, отсут­ствие существующих структур, неправильное располо­жение структур неправильная яркость структур, непра­вильные очертания структур, неправильные размеры структур.

Реверберацию, один из наиболее часто встре­чающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или бо­лее отражающими поверхностями. При этом часть энергии ультразвукового импульса многократно отражается от этих поверхностей, каждый раз, частично возвраща­ясь к датчику через равные промежутки времени. Результатом этого будет появление на экране мо­нитора несуществующих отражающих поверхностей, ко­торые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удает­ся изменением положения датчика.

Не менее важный артефакт — это так называемая дистальная акустическая тень. Артефакт акустической тени возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами. Меха­низм образования акустической тени аналогичен фор­мированию оптической.

Акустическая тень проявляется как зона сниже­ния эхогенности (гипоэхогенная или анэхогеная = черная) и обнаруживается позади сильно отражающих структур, таких как содержащая кальций кость. Так, исследованию органов верхней части живота препятствуют нижние реб­ра, а нижней части таза — лонное сочленение. Этот эф­фект, однако, может быть использован для выявления кальцифицированных камней желчного пузыря, камней почек и атеросклеротических бляшек. Похожая тень может вызываться газом в легких или в кишечнике.

Артефакт эхогенного «хвоста кометы», ряд авторов рассматривают как проявление акустической тени. В свою очередь другие источники указывают, что данный артефакт наблюдается в том случае, когда ультразвук вызывает собственные колебания объекта и является вариантом реверберации. Он часто наблюдается позади мелких пузырьков газа или мелких металлических предметов. Артефакт эхогенного «хвоста кометы» может препят­ствовать выявлению структур, расположенных позади пе­тель кишечника, содержащих газ. Воздушный артефакт служит препятствием преимуще­ственно при выявлении органов, расположенных ретроперитонеально (поджелудочная железа, почки, лимфатичес­кие узлы), позади желудка или петель кишечника, содержащих газ.

Ввиду того, что далеко не всегда весь отраженный сигнал возвращает­ся к датчику, возникает артефакт эффектив­ной отражательной поверхности, которая меньше реаль­ной отражательной поверхности. Из-за этого артефакта определяемые с помощью ультразвука размеры конкрементов обычно немного меньше, чем истинные. Прелом­ление может вызывать неправильное положение объек­та на полученном изображении. В том случае, если путь ультразвука отдатчика к отражающей структу­ре и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображе­нии.

Следующим характерным проявлением является так называемая краевая тень позади кист. Наблюда­ется, главным образом, позади всех округлых полостей, скрывающих звуковые волны по ходу касательной. Краевая тень вызывается рассеянием и преломлением зву­ковой волны, может наблюдаться позади желчного пузыря. Это требует тщательного анализа, чтобы объяс­нить происхождение акустической тени эффектом краевой тени, вызванной желчным пузырем, а не очагом жировой инфильтрации печени.

Артефакт боковых теней свя­зан с преломлением и, иногда, интерференцией ультра­звуковых волн при падении ультразвукового луча по ка­сательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохожде­ния ультразвука в которой существенно отличается от ок­ружающих тканей.

Артефакты, связанные с неправильным определением скорости ультразвука возникают из-за того, что реальная скорость распростра­нения ультразвука в той или иной ткани больше или мень­ше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запро­граммирован прибор.

Артефакты толщины ультразвукового луча — это появление, главным обра­зом в жидкость содержащих органах, пристеночных от­ражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может од­новременно формировать изображение органа и изо­бражение рядом расположенных структур.

Артефакт дистального псевдоусиления сигнала возникает позади слабо по­глощающих ультразвук структур (жидкостные, жидкость содержащие образования). Относительное дистальное акустическое усиление обнаруживается, когда часть звуковых волн проходит ка­кое-то расстояние через гомогенную жидкость. Из-за сни­женного уровня отражения в жидкости звуковые волны ос­лабляются меньше, по сравнению с проходящими через соседние ткани, и имеют большую амплитуду. Это дает в дистальных отделах повышенную эхогенность, которая проявляется как полоска повышенной яркости поза­ди желчного пузыря, мочевого пузыря или даже позади крупных сосудов, таких как аорта. Такое повышение эхогенности является физическим феноменом, не связанным с истин­ными свойствами нижележащих тканей. Акустическое усиление, тем не менее, может быть использовано для того, чтобы отличить почечные или печеночные кисты от гипоэхогенных опухолей.

Контроль качества ультразвукового оборудова­ния включает в себя определение относительной чувствительности системы, осевой и боковой раз­решающей способностей, мертвой зоны, правиль­ности работы измерителя расстояния, точности ре­гистрации, правильности работы ВАРУ, определе­ние динамическою диапазона серой шкалы и т.д. Для контроля качества работы ультразвуковых при­боров используются специальные тест-объекты или тканево-эквивалентные фантомы. Они являются коммерчески доступными, однако в нашей стране пока мало распространены, что делает практически невозможным провести поверку ультразвукового диагностического оборудовании на местах.