1.2 Генерация и прием ультразвуковых колебаний .
Блок-схема простейшего ультразвукового аппарата представлена на рисунке 1-5.Его основным элементом,обеспечивающим генерацию ультразвуковых колебаний и детекцию эхо является ультразвуковой датчик ( transduсer ) .Важнейшие компоненты трансдьюсера показаны на рисунке 1-6. Работа ультразвукового датчика основана на пьезоэлектрическом эффекте. Каждый пьезоэлемент изготовлен из кристалла , чаще всего титоната циркония и имеет форму диска . Пьезокерамический диск колеблется при работе из - за разности его толщины ( толщинное колебание ) . При этом резонансная частота преобразователя обратно пропорциональна толщине диска . Для получения ровной харктеристики чуствительности в диапозоне частот диск вырезают так , чтобы в результате этого значение резонансной частоты поднялось выше верхней границы диапозона . Для излучения и приема ультразвука используется прямой и обратный пьезоэлектрический эффект, соответственно. При прямом пьезоэффекте электрический импульс подается на кристалл и вызывает его деформацию , которая сопровождается распространяющимся колебанием частиц прилежащей среды - генерацией ультразвука. При обратном пьезоэффекте отраженные от объекта ультразвуковые лучи деформируют кристалл, в результате чего возникает разность потенциалов в которой закодированы параметры ультразвука. Если длина волны значительно превышает длину пьезоэлемента,то ультразвук распространяется в виде сферических волн. При умень-шении длины волны ультразвук распространяется параллельно и концентрируется в луч. Оптимальный размер пьезоэлектрического элемента равен 1/2 длины волны(рис.1-7).Расстояние на которое волны распространяются параллельно в виде луча называется ближней зоной (near field). Волны расходятся в дальней зоне (far field). Наилучшим образом объекты могут быть исследованы в ближней зоне.Протяженность ближней зоны (l) зависит от радиуса датчика (r) и длины ультразвуковой волны ( ).r2l= ------- , т.к. =С / f, то r2x fl= --------- , или l (мм)= d x f , где d - диаметр датчика в мм.1540 6 Cледовательно, размер ближней зоны может быть увеличен путем увеличения частоты ультразвука или радиуса датчика. Для удлинения ближней зоны используют коррегирующие линзы или электронные средства.При ультразвуковом диагностическом исследовании основное время работы датчика затрачивается на прием ультразвуковых колебаний.На излучение датчик работает менее 1% времени.Типы датчиков .Механические.Механические датчики оснащены электромотором, который вращает 3-4 пьезоэлемента мимо окна(рис.1-8)Это так называемые ротационные механические трансдьюсерыОни менее долговечны по сравнению с электронными.Наряду с ротационными механическими датчиками существуют осцилляционные.Электромотор этих датчиков обеспечивает движение кристала мимо окна на подобие маятника часов. Современные ультразвуковые аппараты оснащены электронными датчиками.Электронные.1. Линейные датчики -мультикристаллические, содержат 64 и больше кристаллов , выстроенных в линию и пульсирующих последовательно в группе из 4 и более элементов (рис.1-8). Посылают параллельные лучи. Изображение и объекты имеют одинаковые размеры. Неприемлемы для эхокардиографии из-за узких межреберных промежутков. Применяются в акушерстве и гинекологии , при исследовании сосудов и поверхностных структур.2. Конвексные или полусекторные датчики (рис.1-8). Аналогичны линейным. Различие заключается в том, что пьезокристаллы расположены на кривой сканирующей поверхности. В основном используются при исследовании внутренних органов.3. Фазированные датчики - c электронно-фазовой решеткой, содержат от 32 и более пьезоэлементов (рис.1-8). Сканирование осуществляется благодаря особому алгоритму возбуждения пьезоэлементов, включающего небольшую задержку времени для индивидуального элемента. Продуцируют луч клиновидной формы , распространяющийся по сектору.Аннулярные датчики - это тип фазированных датчиков, которые имеют циркулярное расположение пьезоэлементов.Современные датчики работают не на одной частоте,а в определенном диапазоне частот, например, от 5 до 7,5 мГц, или в нескольких фиксированных частотных режимах,например, 7,5 и 10 мГц. Такие датчики называются мультичастотными.Электронные датчики обладают функцией динамического фокусирования,что обеспечивает существенное увеличение фокальной зоны,где визуализация наиболее отчетливая (рис.1-9).Специальные датчики.Имеют технические усовершенствования для специального применения.Наиболее распространенными специальными трансдьюсерами являются чрезпищеводные датчики, интравагинальные и интраректальные, для пункционной биопсии, внутрисосудистые и другие.
1.3 Отображение эхо-сигналов . Интенсивность принятых эхо-сигналов может быть отображена на дисплее в различных режимах: А - режим (от английского amplitude- амплитуда) - представляет интенсивность отраженного эхо в виде амплитуды сигнала и расстояния до раздела сред (рис.1-10). Не имеет временной оси.Фактически отображает расстояние между объектом и датчиком на данный момент времени.Не позволяет зарегистрировать движение. Применяется в эхоэнцефалографии. В-режим (от английского brightness- яркость). Кодирует интенсивность принятых эхо-сигналов в виде яркости свечения точек дисплея рис.1-10)Самостоятельного значения в настоящее время не имеет. Его развитием служат М-режим и двухмерное изображение (В-режим в реальном времени). М-режим (от английского motion- движение). Обеспечивает разверстку яркости свечения структур во времени (рис.1-10). По оси ординат откладывается расстояние до объекта, а по оси абсцисс - время. Применяется в эхокардиографии (рис.1-11). Двухмерный режим (В - режим в реальном времени). Обеспечивает двухмерный показ. Для его получения происходит сканирование (изменение направления ультразвукового луча) в определенном секторе или участке в зависимости от типа датчика.Яркость свечения точек на каждый момент времени сканирования запоминается и представляется на дисплее в виде единой картины,имеющей горизонтальную и вертикальную оси. Получаемое при этом режиме изображение наиболее соответствует анатомической структуре (рис.1-12). Трехмерный режим. Является дальнейшим развитием В-режима.Трехмерное изображение достигается путем компьютерного преобразования сигнала, полученного при помощи датчика с вращающейся излучающей плоскостью. Дает возможность рассматривать исследуемую структуры с разных сторон. Первый опыт внедрения получен в области эхокардиографии и акушерских исследований. Допплеровский режим - позволяет зарегистрировать скорость и направление движения крови. Представляет собой кривую допплеровского сдвига частот развернутую во времени (рис.1-13). Кровоток направленный от датчика изображается внизу изолинии , к датчику выше ее.Есть звуковой выход,который преобразует сдвиг частоты ультразвукового сигнала в виде звука. Это необходимо для корректировки направления датчика, а звук не является аналогом аускультативных звуков. Допплеровский режим был реализован в аппаратах ультразвуковой допплерографии (УЗДГ). В отличии от В - режима они не дают изображения исследуемой структуры, а представляют на экране информацию о кровотоке в виде кривой допплеровского сдвига частот (“слепой” допплер). Импульсный допплеровский режим (Pulsed Wave Doppler). Основан на излучении ультразвукового сигнала в виде отдельных серий импульсов. Упрощенная блок-схема устройства импульсного допплера показана на рисунке 1-14.Поскольку известна скорость распространения ультразвука в тканях (1540 м/c) создается возможность анализировать только те сигналы, которые отражаются от мишеней, расположенных на определенном расстоянии от датчика.Место исследования кровотока называется контрольным объемом (Sample Volum). Главное достоинство - возможность измерения скорости кровотока в строго определенном участке сосуда или сердца.Частоту повторения импульсов (PRF) увеличивают при умень- шении глубины расположения контрольного объема и уменьшают при исследовании кровотока,находящегося далеко от датчика. Частота повторения импульсов как правило изменяется автоматически при перемещении контрольного объема в интересующую область. Чем больше частота повторения импульсов,тем более быстрый кровоток может быть исследован.Предельная скорость кровотока, которая может быть измерена методом импульсной допплеро-графии,называется пределом Найквиста. При измерении скорости кровотока, превосходящей предел Найквиста происходит искажение допплеровского спектра - элайзинг (aliasing).Механизм возникновения элайзинг-эффекта схематически изображен на рисунке 1-15.Главный недостаток импульсного режима - невозможность измерять быстрые скорости кровотока. При этом патологический кровоток в стенотической зоне зачастую превосходит по скорости предел Найквиста.Для устранения этого недостатка был разработан режим высокой частоты повторения импульсов (high PRF Doppler).Этот режим позволяет регистрировать отображенный сигнал не только с конт-рольного объема и от структур расположенных в 2,3 и т.д.раза выше его. Постоянноволновой допплеровский режим (Continuous Wave Doppler). При этом режиме в датчике разобщены кристаллы , посылающие и воспринимающие ультразвук. Поэтому кровоток исследуется вдоль всего луча. Главное достоинство - возможность измерения любой скорости кровотока. Главный недостаток-невозможность точной локализации исследуемого кровотока.Допплеровское исследование позволяет зарегистрировать различные виды линейной и объемную скорости кровотока. Дуплексное сканирование. Разработано в начале 70-х годов (Barber e.a.,1974).Объединяет возможности двухмерного изображения и ультразвуковой допплерографии . Дуплексное сканирование в реальном времени позволяет одновременно наблюдать на экране изменяющееся положение контрольного объема в В - режиме и кривую допплеровского сдвига частот, получаемую из исследуемого участка (см.рис.1-13). Цветное допплеровское картирование (ЦДК) от английского Color Doppler Imaging (CDI).Заключается в наложении закодированных различными цветами направлений и скоростей кровотока на двухмерное изображение сердца,сосуда или органа (рис.1-16). Красный цвет показывает направление движение крови к датчику,а синий - движение крови от датчика. Светлые тона - высокие скорости кровотока , насыщенные -низкие (рис.1-17).При достижении предела Найквиста возникает искажение цветов (aliasing).Искажение дает турбулентный поток связанный с внутрисер-дечными шунтами,стенозами клапанов и регургитацией, кровоток в месте гемодинамически значимого стеноза артерии, в месте ее перегиба при патологической извитости или в месте экстравазального сдавления (рис.1-17).Цветное дуплексное сканирование.Этот режим возник в результате объединения возможностей дуплексного сканирования и ЦДК в середине 80-х годов.Иногда обозначается как триплексное сканирование или дуплексное сканирование с ЦДК.Позволяет наблюдать допплеровскую кривую с одновременной регистрацией В-режима и ЦДК (рис.1-18).Следует отметить,что обновление В-режима в цветном дуплексе происходит с большей задержкой времени,чем при регистрации допплеровской кривой в черно-белом дуплексе,что затрудняет эффективное управление положением контрольного объема.Контрастная эхография - используется в основном в эхокардиографии для усиления допплеровских сигналов трикуспидальной регургитации путем внутривенного введения физиологического раствора, содержащего пузырьки воздуха, или раствора перикиси водорода.В настоящее время разработаны специальные контрасты для эхокардиографии, например, “Эховист” фирмы “Shering”. Разрабатываются контрасты для большого круга кровообращения, неэлиминирующиеся в легких, например, “Левовист” фирмы “Shering”.Ожидается,что контрасты для большого круга кровообращения существенно улучшат возможности ультразвуковой диагностики сосудистой патологии,включая такие сложные области как,например,коронарные артерии. Энергетическое допплеровское картирование .Новый режим ультразвуковой диагностики. Используются так же названия “энергетическая доплерография” , “ультразвуковая агиография”, “мощностной допплер”,”энергетический допплер”. Технология основана на анализе амплитуды ультразвуковых колебаний, отраженных от движущихся объектов. Информация представляется на дисплее в виде окрашенных цветом кровотоков (рис.1-19). В отличие от ЦДК энергетическая допплерография не чуствительна к направлению потока, малозависима от угла между ультразвуковым лучем и кровотоком, более чуствительна, особенно к медленным потокам, и более помехоустойчива.1.4 Важнейшие функции управления .Power Output - энергопродукция. Осуществляет контроль энергопродукции, который состоит в регулировании количества лучей, посылаемых через трансдьюсер. Depth Gain Compensation (DGC). Обеспечивает компенсацию потери ультравука за счет поглощения, рассеивания и отражения для качественной визуализации объектов независимо от глубины их залегания. Включает 4 главных компонента :1. Slop rate - этот компонент обеспечивает усиление или подав-ление эхо в зависимости от варьирования глубины сканирова-ния.2. Slope Start - устанавливает глубину начала DGC. Использует-ся для подавления артефактов эхо в ближней зоне. 3. Near Gain - усиливает эхо в ближней зоне.4. Far Gain - контролирует силу эхо сигнала, получаемого с определенной дистанции.Пре - и постпроцессинг - обеспечивает улучшение качества визуализации в В-режиме,допплеровском режиме и ЦДК.Препроцессинг воздействует на ширину ультразвукового луча допплеровской частоты и таким образом на величину спектрального расширения.Низкий уровень препроцессинга обеспечивает узкий луч допплеровской частоты ,максимальную спектральную допплеровскую чуствительность и пространственное разрешение.Высокий уровень препроцессинга - широкий луч допплеровской частоты и минимальное спектральное расширение.Постпроцессинг обеспечивает оптимальное соответствие между числом оттенков серой шкалы и цвета с одной стороны и допплеровским усилением с другой за счет нелинейного преобразования их соотношения.В результате достигается оптимальное число оттенков в исследуемом диапазоне частот.
1.5 Артефакты 1.5.1 Артефакты связанные с работой оборудования.Артефактный шум (Artefactial Noise). Это артефактная наводка от близкорасположенных источников электромагнитного излучения (оборудование, электротранспорт и т.д.).Артефакт - хлопок (Main Bang Artefact). Это довольно известный ультразвуковой эффект, который практически невозможно устранить. Он заключается в появлении высокоинтенсивного эхосигнала по причине сильного различия между акустическими свойствами трансдюссера и прилежащей к нему ткани.Вуаль (Veiling) . Возникает когда все фокальные зоны используются одновременно. В этом случае изображение не фиксируется на большую площадь, а представлено в виде точек в короткой линии. Корреция достигается посредством DGC или использованием только одной фокальной зоны.Отсутствие фокусирования (Absence of Focusing). Необходимо принимать во внимание, что определенная глубина требует использования единственной фокальной зоны, дающей лучшую информацию, по сравнению с использованием множества фокальных зон. Решетчатые доли (Grafing Loles). Представляется как перегородки выше и ниже линии раздела сред с различными акустическими импендансами.Шум обратной стороны (Side Loles). Это первые эхосигналы, которые продуцируются на обратной стороне границы раздела между датчиком и прилежащей тканью и дают шум. Этот артефакт присущ всем трансдюссерам и труден для коррекции. Шум может быть уменьшен при фокусировании глубины, которая больше шумит.
1.5.2 Артефакты, связанные с неправильной настройкой. Прежде всего касаются проблем, связанных с использованием DGC. Излишний гейн может давать шум.
1.5.3 Артефакты,связанные с взаимодействием эхо с тканьюЗатемнение (Shadowing). Возникает при инсонации таких структур как газ или кость, которые хорошо поглощают ультразвук и дают площадь затемнения по ходу эхо. Эти же структуры дают реверберацию (см. ниже).Реверберация (Reverberation Artefact). При отражении ультразвука от структур, с существенно отличающимся от ближайших тканей инпедансом (газ, кость), большая часть эхо возвращается к трансдюссеру и это может быть причиной удвоения оригинальной структуры при визуализации.Зеркальный артефакт (Mirror Artefact). Кривая анатомическая структура может фокусировать и отражать подобно зеркалу. При этом следует попробовать зондирование указанного участка из другой точки.Повышающий эффект (Enhancement Effect). Возникает в случае, когда эхо проходит через заполненную жидкостью структуру и позади нее происходит увеличение амплитуды эхо. В этом случае необходимо уменьшить валовый гейн и привести в порядок TGC.Артефакт проксимального поля (Freshel Zone Artefact). Заключается в искажении структур и плохом разрешении в проксимальном участке ультразвукового луча, где эхо - сигнал неэквивалентен форме излучаемой ультразвуковой волны.Эффект кометы (Comet Effect). Границы раздела с большой отражающей способностью (ткань, воздух и т.д.) создают плотную эхогенную линию на обратной поверхности.1.6 Терминология.Эхогенность - характеристика способности структуры отражать ультразвук. Гиперэхогенная структура - обладающая высокой способностью к отражению ультразвука. Гипоэхогенная структура - дающая слабое отражение ультразвука. Анэхогенная структура - не дающая отражения ультразвука. Изоэхогенная структура - отражающая ультразвук подобно окружающим тканям. Спектральная кайма - окаймление спектра допплеровского сдвига частот. Характеризуется как четкая (при качественной технике и нормальном кровотоке) и нечеткая или “размытая.” Спектральное окно - площадь ограниченная спектральной каймой и базальной линией . Спектральное расширение - характеристика спектра допплеровского сдвига частот, определяющаяся количеством мишеней (эритроцитов) с различной скоростью в исследуемом объеме. Обращают внимание на увеличение спектрального расширения , что характерно для турбулентного потока . Пиковая (систолическая, диастолическая) скорость. Это максимальная линейная скорость кровотока в систолу или в диастолу. Для диастолы могут выделять конечную пиковую диастолическую скорость и начальную или раннюю. Используются и другие характеристики кровотока, например,средняя (линейная) скорость кровотока (измеренная) по времени и другие.