Физические основы ультразвука. Сфера применения УЗИ

Применив конвергирующие и рассеивающие линзы, можно удлинить ближнюю зону и уменьшить расхождение ультразвуковых лучей в дальней зоне. Конвергирующие линзы фокусируют параллельные ультразвуковые волны и используются в датчиках для сжатия пучка. Они формируют узкий пучок высокой интенсивности на коротком участке, за пределами которого лучи расходятся, но не в такой степени, как это было бы без использования конвергирующих линз. В современных датчиках фокусировка ультразвуковых лучей осуществляется не оптическими линзами, а электронными средствами.

 

Аппараты специального назначения

 

В зависимости от конкретной области использования: эхокардиографы, эхоостеометры, эхосинускопы, эхоофтальмоскопы, эхомаммоскопы и др.

По габаритам ультразвуковая диагностическая аппаратура делится на: портативные аппараты, переносные, полустационарные, стационарные.

Портативные аппараты, которые отличаются малыми размерами и массой (обычно не более 5-8 кг). Естественно, такие аппараты не могут быть универсальными и иметь очень широкие возможности и области применения, однако, с их помощью можно проводить диагностику заболеваний органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза, осмотры в акушерской практике. Такие аппараты удобно использовать в ситуациях оказания скорой и неотложной помощи, в амбулаторных условиях, а также в стационаре в качестве прикроватного монитора (например, для диагностики ранних послеоперационных осложнений в палатах интенсивной терапии или для оценки акушерской ситуации в предродовой палате и родовом зале).

Переносные - имеют несколько большие размеры и массу, но также легко перемещаются к месту проведения исследования (вместо того, чтобы транспортировать пациента в кабинет ультразвуковой диагностики). Эти аппараты являются достаточно совершенными диагностическими системами и могут иметь несколько датчиков, в том числе и специальные (внутриполостные, интраоперационные, биопсийные).

Полустационарные - представляют собой более сложные устройства. Как правило, они имеют несколько сменных рабочих датчиков, Экран такого аппарата обычно имеет размер более 25 см по диагонали. Именно этот тип аппаратов чаще всего встречается в практике. Размещаются они на специальных тележках или станинах с колесами, что, в принципе, позволяет осуществлять транспортировку, например, в операционную или палату интенсивной терапии. Однако, чаще их используют как постоянно установленные в кабинете устройства.

Стационарные - большие, сложные и дорогие диагностические системы (обычно с компьютерной обработкой изображения) по своим габаритам и массе требующие больших помещений и не позволяющие транспортировать их в собранном состоянии.

Именно к этому классу относятся некоторые специальные аппараты - например, ультразвуковые иммерсионные маммографы.

С точки зрения конструктивных особенностей аппарата и реализованного в нем принципа получения изображения классификация выглядит более сложной:

По способу получения диагностической информации аппараты разделяются на:

· Одномерные (работающие в А-режиме). Такие аппараты дают возможность исследовать объект только по направлению одного излучаемого датчиком ультразвукового сигнала (по глубине).

· Двумерные (имеющие В-режим работы)- это аппараты сканирующего типа. Как правило, в таких аппаратах присутствует и М-режим, а часто также и одномерный.

· К редкому типу двумерных аппаратов относятся устройства, имеющие С-режим;

· Аппараты, имеющие встроенный доплеровский блок или приставку;

· Аппараты с устройством цветного доплеровского картирования.

· Модели аппаратов экспертного класса со специальными датчиками и блоками обработки информации, дающие объемное изображение.

По типу и виду сканирования:

· Аппараты, сканирующие в реальном масштабе времени, которые позволяют получать на экране изображение, соответствующее моменту проведения исследования и наблюдать движения объекта. Большинство выпускающихся сегодня аппаратов относятся к данному типу.

· Устройства сложного ручного сканирования, дающие на экране статическое изображение (картинка появляется на экране постепенно, «рисуется» при перемещении датчика по коже);

· Приборы механического сканирования с «медленным» перемещением элемента внутри корпуса датчика или в водной среде, куда погружается исследуемая часть тела.

 

По методу обработки отраженных эхосигналов:

· Устройства с серой шкалой. Изображение на экране такого аппарата имеет множество оттенков серого цвета. К этому типу относится абсолютное большинство современных аппаратов;

· Аппараты с условным цветовым кодированием отраженных сигналов. Изображение составляется на экране не из серых точек различной (в зависимости от амплитуды) яркости, а из цветных, выбранных для каждого уровня сигнала.

· Аппараты с бистабильной обработкой эхосигналов. Воспроизводятся только отражения, превышающие пороговый уровень, которые, независимо от амплитуды, на экране имеют одинаковую яркость. Этим методом можно получить только изображение контуров объекта и основных составляющих его внутренней структуры. В настоящее время такие аппараты, так же как и аппараты с «цветной серой шкалой» практически не производятся.

В ультразвуковом диагностическом аппарате часто соединяются (по блочному принципу) ряд приспособлений и устройств, обеспечивающих как разные типы сканирования, так и возможность специальной обработки отраженных сигналов.

 

 

Ультразвуковые датчики

 

 

Набор датчиков включает электронные - конвексные и линейные, механические секторные и специальные - внутриполостные, пункционные и интраоперационные позволяет проводить исследования при различных клинических ситуациях. В более сложных универсальных моделях имеется доплеровский блок или устройства цветного доплеровского картирования.

Независимо от типа и класса, к которому относится ультразвуковой диагностический аппарат, блочная схема его построения однотипна. По мере усложнения и совершенствования в диагностические системы включаются дополнительные блоки и приспособления, но принципиальная архитектура диагностического устройства остается общей для всех типов аппаратов.

В настоящее время в работе ультразвукового диагностического аппарата практически используется только метод эхолокации, поэтому датчик аппарата является одновременно и передающей и принимающей антенной. Ультразвуковой датчик (преобразователь, трансдюсор) может иметь разную конструкцию, но независимо от этого, он всегда связан с генератором электрических сигналов, которым приводится в колебание его пьезоэлемент (элементы).

В сложных современных диагностических устройствах в блоке формирования изображения происходит цифровая компьютерная обработка сигналов, что существенно повышает качество получаемой при исследовании информации.

Полученное в результате сложной обработки изображение выводится на экран, представляющий собой электронно-лучевую трубку, аналогичную телевизионной. Корректировка параметров изображения и режимов работы аппарата производится органами управления, расположенными обычно на передней панели аппарата (клавиатура или другая система регуляторов).

Типы и виды ультразвуковых преобразователей

 

Поскольку датчик является важнейшей частью прибора, а его конструкция и параметры во многом определяют возможности и эффективность диагностики, необходимо подробнее остановиться на его устройстве. Тип датчика зависит от применяемого метода исследования (А-, В-, D-метод и т.п.), а также от способа получения изображения (фиксированное положение датчика, сканирование и его разновидности: механическое, электронное и т.п.).

По типам датчики могут быть разделены на:

одномерные одноэлементные:

· датчики для А и М-режимов работы,

· датчики для доплерографии.

двумерные:

· одноэлементные

1. датчики для аппаратуры  сложного ручного сканирования

2. датчики секторного  механического сканирования:

а) с механическим перемещением пьезоэлемента

б) с перемещением отражателя (зеркала)

3. датчики линейного механического  сканирования (с возвратно-поступательным  перемещением элемента)

· многоэлементные для:

1. механического сканирования:

а) с кольцевыми элементами

б) секторно-шагового сканирования

2. электронного сканирования:

а) линейные

б) конвексные (выпуклые)

в) трапецеидальные

г) секторные

Кроме перечисленных, имеются датчики специального типа, которые применяются для получения объемных изображений, С-метода, иммерсионного сканирования и т.п.

Назначение датчиков определяет их разделение по виду. К датчикам общего назначения относятся наиболее часто используемые в практике устройства контактного сканирования (абдоминальные, акушерские, для исследования поверхностно расположенных органов и тканей, педиатрические). Датчиками специального назначения являются пункционные, кардиологические, внутриполостные (вагинальные, ректальные, пищеводные и т.п.), интраоперационные и ряд других.

 

Варианты эхокардиографического исследования

 

1. Двухмерная эхокардиография - изображение сердца по длинной или короткой оси в реальном времени. Двухмерная эхокардиография (В-режим) позволяет в реальном времени оценить размеры полостей сердца, толщину стенок желудочков, состояние клапанного аппарата, подклапанных структур, глобальную и локальную сократимость желудочков, наличие тромбоза полостей

2. М-режим - графическое изображение  движения стенок сердца и створок  клапанов во времени. М-режим позволил  впервые в реальном времени  оценить размеры сердца и систолическую функцию желудочков. В настоящее время применяется как вспомогательный режим при проведении эхокардиографического исследования преимущественно для измерений. В том случае, когда в парастернальной позиции курсор М-режима располагается строго перпендикулярно изображению сердца, измерения могут быть проведены с большой точностью. Если изображение сердца и курсор расположены под углом, все размеры камер сердца будут значительно завышены и могут быть неправильно истолкованы. Эта ошибка встречается у специалистов с небольшим стажем работы. Поэтому следует проводить измерения в B-режиме в конце диастолы в том случае, если М-режим не может быть применен. В настоящее время ряд фирм предложили использовать анатомический М-режим, позволяющий изменить угол курсора.

3. Допплер-эхокардиография, включая импульсный, непрерывно-волновой, цветовой, цветовой М-режим, энергетический, тканевой цветовой, тканевой импульсный, тканевой С-режим и т. д., - метод, позволяющий неинвазивно оценить параметры центральной гемодинамики. Активное применение методики в медицине можно отнести к началу 80-х годов.

Проведение допплеровского исследования подразумевает высокий технический навык в проведении двухмерного исследования, знание топографической анатомии и гемодинамики сердца.

В эхокардиографии используют следующие варианты допплера:

- Импульсный допплер (PW - pulsed wave).

- Импульсный высокочастотный  допплер (HFPW - high frequency pulsed wave).

- Постоянноволновой допплер (CW - continuouse wave).

- Цветовой допплер (Color Doppler).

- Цветовой М-модальный  допплер (Color M-mode).

- Энергетический допплер (Power Doppler).

- Тканевой скоростной  допплер (TissueVelosity Imaging).

- Тканевой импульсный  допплер (Pulsed Wave Tissue Velosity Imaging).

Импульсный допплер (Pulsed Wave, или PW). Графическая разверстка импульсно-волнового допплера отражает характер кровотока в конкретной данной точке, в месте установки контрольного объема. Точка установки контрольного объема называется базовой линией. По вертикали на графике откладывается скорость потока, по горизонтали - время. Все потоки, которые в конкретной данной точке движутся к датчику, располагаются на графике выше базовой линии; все потоки, которые движутся от датчика - ниже нулевой линии. Импульсный допплер имеет скоростной предел (не более 2,5 м/с), поэтому с его помощью нельзя зарегистрировать потоки, имеющие высокую скорость. Импульсный высокочастотный допплер (HFPW - high frequency pulsed wave). Несколько контрольных объемов распологаются один за другим на различной глубине. Это позволяет регистрировать кровоток, скорость которого превышает 2,5 м/с.

Постоянно-волновой допплер (CW - Continuous Wave Doppler). Позволяет регистрировать высокоскоростные потоки. Недостаток метода состоит в том, что на графике регистрируются все потоки по ходу луча. Методика CW допплеровского исследования позволяет произвести расчеты давления в полостях сердца и магистральных сосудов в ту или иную фазу сердечного цикла, рассчитать степень значимости стеноза и т.д. Основным уравнением CW является уравнение Бернулли, позволяющее расчитать разницу давления или градиент давления. С помощью уравнения можно измерить разницу давления между камерами в норме и при наличии патологического, высокоскоростного

Цветовой допплер - аналог импульсного допплера, где направление и скорость кровотока картируется различным цветом. Так кровоток к датчику принято картировать красным цветом, от датчика - синим цветом. Турбулентный кровоток картируется сине-зелено-желтым цветом. Цветовой M-модальный допплер (Color M-mode). Сопоставление M-модального режима и цветового допплера при проведении курсора через ту или иную плоскость, позволяет разобраться в фазами сердечного цикла и патологическим кровотоком.