Язык ультразвуковой диагностики
Характеристика ультразвука
Амплитуда — пиковое давление волны. Когда это понятие применяют к обычному звуку, оно кореллирует с громкостью звуковой волны. Когда говорят об ультразвуковых изображениях, амплитуда соответствует интенсивности отраженного и вернувшегося эхо-сигнала.
Ультразвуковые аппараты могут измерять интенсивность (амплитуду) отраженного эхо-сигнала. Анализ этой информации влияет на яркость эхо-сигнала, отображенного на экране. Сильные отраженные эхо-сигналы трансформируются в светлую или белую точку на экране (называемую гиперэхогенной). Слабые отраженные эхо-сигналы трансформируются в черную точку на экране (называемую гипоэхогенной или анэхогенной). «Серая шкала» диагностического ультразвукового исследования — это диапазон силы отраженного сигнала, соответствующей оттенку на черно-белой шкале.
Скорость определяют как скорость распространения волны. Она является постоянной в определенной среде. Определено, что она составляет 1540 м/с в мягких тканях (т.е. скорость распространения в мягких тканях — 1540 м/с). Используя этот принцип, ультразвуковой аппарат может вычислить расстояние до объекта (глубину его расположения) путем измерения времени, которое требуется ультразвуковому сигналу, для того, чтобы отразиться от объекта и вернуться к излучателю. (Это сходно с использованием гидролокатора на подводных лодках.)
Частота — это количество повторений волны в секунду. Частота в один Герц эквивалентна одному волновому циклу в секунду. Слышимый звук имеет частоту от 20 до 20.000 Гц. По определению, любые частоты выше этого интервала относятся к ультразвуку. Частоты, используемые для диагностического ультразвукового исследования, находятся в диапазоне от 2 до 10 МГц (1МГц = 1 миллион Гц).
Рисунок показывает, что высокочастотные звуковые волны формируют изображение с высоким разрешением. Высокочастотные звуковые волны используют больше энергии, потому что они генерируют больше волн, которые посылают назад к ультразвуковому аппарату больше отраженных эхо-сигналов с короткими интервалами, создавая детальные изображения поверхностных структур. Однако, в связи с более быстрой потерей энергии, высокочастотные ультразвуковые волны не проникают на большую глубину. Низкочастотные волны, наоборот, сохраняют энергию, и хотя не формируют изображения такого же высокого разрешения, они могут проникать в ткани глубже.
Длина волны — расстояние, которое волна проходит за время одного цикла. Длина волны обратно пропорциональна частоте на основании уравнения: скорость = частота х длина волны. Поэтому высокая частота уменьшает длину волны (и соответственно глубину проникновения), более низкая частота увеличивает длину волны (и соответственно глубину проникновения).
Ослабление — прогрессивное снижение мощности звуковой волны при ее прохождении через среду.
Несколько факторов способствуют ослаблению сигнала: вид ткани, количество границ разделов между тканями и длина звуковой волны. Волны диагностического ультразвука плохо проникают через воздух и кость в связи с рассеянием и отражением. Однако ультразвук хорошо проходит через содержащие жидкость структуры, такие как мочевой пузырь.
Ослабление также происходит при прохождении ультразвука через границы разделов между различными типами среды. Если ткань плотная и гомогенная, число внутренних границ снижено и происходит меньшее ослабление. Если ткань неоднородная и менее плотная, происходит большее ослабление.
Отражение — изменение направления части звуковой волны назад к ее источнику. Рефракция — это изменение направления части звуковой волны при ее прохождении через границу раздела различных сред (или при прохождении границы между тканями с различными скоростями распространения, например от мышцы к кости). Рассеяние происходит, когда звуковой луч сталкивается с внутренней границей, которая относительно мала или имеет неправильную форму (например, это происходит при прохождении звуковых волн через воздух или газ). Поглощение происходит, когда акустическая энергия звуковой волны задерживается внутри среды.
Разрешение относится к способности ультразвукового аппарата различать два близко расположенных объекта. Следующие иллюстрации представляют две точки, которые отображены как раздельные, аппаратом с более высоким разрешением (парные точки) и те же самые объекты, отображенные аппаратом с меньшим разрешением (две точки выглядят как одно нераздельное образование). Осевое разрешение относится к способности ультразвукового аппарата различать два близко расположенных объекта, которые лежат в плоскости, параллельной направлению распространения звуковой волны. Увеличение частоты звуковой волны увеличит осевое разрешение ультразвукового изображения.
Латеральное (боковое) разрешение — способность ультразвукового аппарата различать два близко расположенных объекта, лежащих в плоскости, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны. В большинстве портативных ультразвуковых аппаратов фокусная зона (или самая узкая часть ультразвукового луча) корректируется автоматически над средней частью экрана. Однако у некоторых аппаратов имеется кнопка, позволяющая сдвигать узкую часть луча вверх и вниз.
В заключение, акустическая мощность характеризует энергию, излучаемую датчиком. В большинстве аппаратов она не регулируется пользователем, чтобы предотвратить негативные биологические эффекты, такие, как нагрев тканей или разрушение клеток. Значение акустической мощности должно соответствовать принципу «настолько мало, насколько возможно» — это значит, что используют наименьшее количество энергии, чтобы получить информацию, которая клинически необходима для ведения пациента. Терапевтический ультразвук действует иначе, чем диагностический ультразвук, так как он целенаправленно использует способность ультразвука нагревать ткани для воздействия на них.
Терапевтический ультразвук часто используют в физиотерапии или реабилитации после повреждений опорно-двигательного аппарата для ускорения мобилизации рубцовой ткани.
Все ультразвуковые устройства используют одинаковый принцип генерации ультразвуковых волн и получения отраженных эхо-сигналов. Этот принцип возможен благодаря тому, что кварц (и некоторые другие вещества, натуральные и синтетические) обладают таким свойством, как пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект выражается в образовании волны давления, когда приложенное электрическое напряжение деформирует кристаллический элемент. Более того, кристалл также может быть деформирован возвращающимися волнами давления, отраженными от внутренних структур ткани. Это приводит к образованию электрического тока, который аппарат преобразует в пиксель на экране монитора.
Как уже было упомянуто, оттенок серого этого пикселя зависит от силы (амплитуды) возвращающегося эхо-сигнала и, таким образом, силы электрического тока, который он производит.
Было разработано много различных устройств на основе пьезоэлектрического излучателя/датчика. Например, конвексный датчик имеет кристаллы, образующие изогнутый, выпуклый ряд. Чем дальше ультразвуковым лучам нужно пройти, тем больше они расходятся. Это уменьшает латеральное разрешение в глубоких тканях и приводит к формированию изображения в форме сектора или куска пирога.
Линейный датчик имеет кристаллы, встроенные в плоскую сканирующую поверхность. В результате ультразвуковые волны проходят по прямой линии. Так как все ультразвуковые волны направлены параллельно, формируется прямоугольное изображение.
Датчики также делятся по размерам сканирующей поверхности, так, иногда вам понадобится небольшой датчик, чтобы провести исследование в обход ребер или других структур, непроницаемых для ультразвука. В заключение, каждый датчик имеет диапазон частот, которые он способен генерировать. Обычно линейные датчики имеют более высокий, а конвексные датчики более низкий диапазон частот. Существует одно исключение из этого правила — внутриполостной датчик, используемый при акушерском и гинекологическом исследовании. Хотя он имеет изогнутую сканирующую поверхность, он также использует ультразвук высокой частоты, чтобы получить изображения с высоким разрешением небольших близко расположенных структур
Продольная разрешающая способность не хуже 0,8 мм на частоте 3,5 МГц, 0,6 мм на частоте 5,0 МГц.
Поперечная разрешающая способность не хуже 2,5 мм на частоте 3,5 МГц, 2,0 мм на частоте 5,0 МГц.
Динамический диапазон принимаемых сигналов при амплитуде, равной напряжению шумов не менее 90 дБ.
Динамический диапазон отображаемых сигналов не менее 40 дБ.
При сканировании используйте адекватное количество ультразвукового геля, чтобы облегчить маневрирование датчиком и оптимизировать качество получаемых изображений. Попадание воздуха между датчиком и поверхностью кожи будет означать, что звуковые волны, проходящие через это пространство, будут рассеиваться, и амплитуда возвращающихся эхо-сигналов будет снижена. В дополнение, для осмотра любой анатомической структуры должны быть использованы несколько плоскостей сканирования.
Это значит, что всегда важно визуализировать структуры в двух плоскостях (т.е. поперечной и продольной), потому что мы изучаем трехмерный объект с помощью двухмерных изображений.
Один из главных принципов, о котором надо помнить — на каждом датчике есть выступающая метка или выемка, соответствующая стороне экрана, помеченной точкой, логотипом производителя или другой меткой. Объекты, находящиеся около метки на датчике, будут отображаться около маркера датчика на экране. Объекты, находящиеся на стороне датчика без метки, будут видны на противоположной от маркера стороне экрана.
В большинстве случаев при экстренном ультразвуковом исследовании маркер на экране находится на его левой стороне. Однако классическое эхокардиографическое исследование проводят с маркером, находящимся на правой стороне экрана. Поэтому у большинства аппаратов есть кнопка, которая позволяет перемещать маркер экрана слева направо и наоборот. Данное руководство описывает все изображения с маркером, находящимся на левой стороне экрана, для сохранения постоянными настроек аппарата. Это важно знать, так как аппараты для эхокардиографии будут иметь другое положение датчика (отличающееся на 180 градусов) в связи с отличающимися настройками экрана.
Со временем врач почувствует себя более уверенно при сканировании, при этом датчик и ультразвуковой луч становятся как бы продолжением руки. Врач начинает осознавать, каким образом движение рукой приводит к предсказуемым изменениям в ориентации изображения. Для новичков полезно провести обзор стандартных положений датчика. Как любой объект, работающий в трех измерениях, датчик (и соответственно ультразвуковой луч) может быть ориентирован по осям х, у или z. Простой аналогией может служить ориентация самолета. Для того, чтобы проиллюстрировать данную концепцию, ультразвуковой датчик изображен на рисунке в трех различных положениях (боковой короткой стороной, продольной длинной стороной и сканирующей поверхностью от наблюдателя) с ультразвуковым лучом, окрашенным в зеленый цвет.
Высота относится к движению вверх и вниз. Для датчика, установленного в поперечной плоскости на животе, это соответствовало бы наклонным движениям датчика к голове или ногам. Отклонение относится к движению из стороны в сторону Это соответствует наклону того же датчика к левому или правому фланку живота пациента. Наконец, вращение относится к движению вокруг центральной продольной оси. Если это движение выполнить с упомянутым выше датчиком, то поперечная ориентация станет сагиттальной. Сначала сфокусируйтесь на движении датчика в одной плоскости и отметьте влияние на изображение. Новички часто дезориентируются, когда они полагают, что двигают датчик в одной плоскости, но на самом деле изменяют положение датчика в нескольких плоскостях одновременно.
При получении изображения в продольном или сагиттальном сечении датчик ориентируют вдоль продольной оси тела пациента (т. е. метка на датчике направлена к голове пациента). Это означает, что вы увидите структуры, ближайшие к голове на стороне экрана с меткой (на данных иллюстрациях — на левой стороне).
Изображение в поперечном или осевом сечении получают, ориентируя датчик под углом 90 градусов к продольной оси тела пациента. При целом ряде показаний метка на датчике должна быть ориентирована к правой стороне пациента. Повторим снова, если метка на датчике направлена вправо, структуры правой стороны тела пациента будут отображаться на стороне экрана с меткой.
Венечное (корональное) сечение получают при установке датчика на боковой (латеральной) стороне тела пациента. Метка на датчике все еще направлена в сторону головы пациента, поэтому структуры, находящиеся ближе к голове, отображаются на левой стороне экрана (стороне с меткой).
На данном изображении, ближайшие к датчику структуры располагаются в верхней части экрана, наиболее отдаленные от датчика ткани — внизу экрана.
Для перевода электрической информации, генерируемой датчиком в изображение на экране монитора были приняты практически повсеместно многочисленные стандарты. Мы говорим «почти», потому что. как упоминалось ранее, кардиологи переместили свою экранную метку, поместив ее справа. Так как экстренная ультразвуковая диагностика включает визуализацию брюшной полости и других объектов, мы оставляем маркер на левой стороне. Но при проведении экстренной визуализации сердца мы советуем вам держать датчик повернутым на 180 градусов по отношению к стандартным позициям, как это принято в кардиологии. Поступая подобным образом, изображения, которые вы получите на экране, будут такими же, как и классические «кардиологические».
Повторим еще раз — для того, чтобы получить эти общепринятые изображения, вы должны знать ориентацию ультразвукового луча. Стандартом является то, что индикатор (метка на датчике) должен быть направлен к правой стороне или голове пациента. Метка на экране должна находиться на его левой стороне.
Следует понимать, что медицинская диагностика развивается стремительными темпами и некоторые ультразвуковые аппараты позволяют оператору выбирать, где сфокусировать наиболее узкую часть ультразвукового луча. При настройке фокусной зоны (focal zone), вы можете оптимизировать латеральное разрешение. Фокус обычно настраивается переключателем или кнопками вверх/вниз на контрольной панели.
Глубина фокуса обычно отображается указателем на краю дисплея.
Передвигая указатель на интересующую область, ультразвуковой луч сужается на указанной глубине для улучшения качества изображения.
Не все аппараты позволяют выполнить это вручную, однако некоторые проводят автоматическую фокусировку в средней части экрана.
Другим параметром, который должен быть настроен оператором, является глубина (depth). Настраивая глубину изображения, оператор может добиться того, что вся интересующая ткань или область будут отображены на экране. Глубина обычно настраивается переключателем или кнопками вверх/вниз на контрольной панели. На краю экрана обычно находится сантиметровая шкала, указывающая глубину расположения структур.
Настройка усиления (gain) позволяет добиться оптимальной интенсивности отраженного эхо-сигнала, отображенного на экране аппарата. Другими словами, увеличивая усиление, вы увеличиваете яркость всего ультразвукового поля (т.е. всего дисплея). Когда вы уменьшаете усиление, ультразвуковое поле темнеет. Функция усиления в чем-то сходна с настройкой звука в домашнем стерео — она усиливает звук, но не улучшает его качество. В случае диагностического ультразвука она увеличивает яркость, но не увеличивает количество пикселей в изображении.
Кнопка вверх/вниз на контрольной панели позволяет оператору настроить усиление. Функция усиления не влияет на мощность ультразвукового луча.
Регуляторы временной компенсации усиления (time gain compensation, TGC) ультразвукового аппарата позволяют оператору настроить усиление на различной глубине. Эхо-сигналы, возвращающиеся от более глубоких структур более ослаблены просто потому, что им пришлось пройти через большую толщину тканей. Без TGC дальнее поле (нижний край экрана, более глубокие ткани) будет всегда выглядеть более темной, чем ближнее поле (верхняя часть экрана, ближайшие к датчику ткани). TGC повышает усиление эхо-сигналов, возвращающихся от дальних областей. Некоторые аппараты имеют одну кнопку, которая позволяет настроить ближнее поле относительно дальнего поля. Другие аппараты имеют множество слайдеров, которые позволяют контролировать усиление по всей глубине сканирования.
Существует множество методик визуализации, используемых при диагностическом ультразвуковом сканировании.
А-режим или «режим амплитуды» — это методика визуализации, большей частью представляющая исторический интерес, хотя она используется при офтальмологических исследованиях и в наши дни. Она использует дисплей осциллоскопа для отображения информации об амплитуде отраженного сигнала по вертикальной оси и информации о расстоянии до отражающей структуры по горизонтальной оси. Нет никакой картинки, расстояние и амплитуда представлены в виде графика. На представленном изображении вертикальная ось А отражает амплитуду сигнала, вернувшегося к датчику, а глубина вычислена на основании времени прохождения ультразвукового сигнала туда и обратно.
В-режим или «режим яркости» (англ., Brightness) — это методика, которую мы рассматривали до настоящего момента, это именно та методика, которую мы используем для диагностической визуализации. Сканирование в В-режиме преобразует амплитудные характеристики в изображение путем использования серошкального конвертера, обсужденного выше. Большинство сканеров в настоящее время строят изображения с 256 градациями серого, позволяя визуализировать тонкие различия в тканях/структурах. Как было замечено, присвоение оттенка серого каждому пикселю основывается на амплитуде сигнала отраженной волны от данной точки.
М-режим или «режим движения» (англ., Motion) представляет собой график, на котором по вертикальной оси отражается движение изучаемой ткани/структуры относительно линии в плоскости визуализации (проходящей через объект), а по горизонтальной оси отражается время. Этот режим часто используют совместно со сканированием в В-режиме для изучения движения клапанов или измерения/регистрации сердечной деятельности у плода. Множество новых аппаратов для экстренного ультразвукового обследования способны проводить исследование в М-режиме.
D-режим или «допплеровский режим» — это методика визуализации, основывающаяся на принципе допплеровского/частотного сдвига. Рассмотрим пример движущегося поезда: пешеход у переезда услышит увеличение высоты звука гудка поезда при его приближении и снижение высоты звука при удалении.
Однако машинист никогда не услышит этих изменений высоты звука — этот слышимый сдвиг частоты — так как он или она движутся вместе с источником звука. Допплеровский ультразвуковой сигнал может определить, движутся ли структуры, от которых отражаются ультразвуковые волны, к датчику или от датчика. Результаты представляются или в виде изменений цвета (цветовой допплер), или в виде слышимого звука, или в виде графиков (спектральный допплер).
Левое изображение на рисунке демонстрирует цветовое допплеровское исследование. Синий и красный цвета не соответствуют венозному и артериальному потокам — напротив, они описывают, направлен ли поток к датчику или от датчика и зависят от ориентации датчика. Легенда на левой стороне экрана отражает присвоение цвета направлениям потока. В данном примере красный поток направлен к датчику (к верхней части экрана), синий поток от датчика (к нижней части экрана) Правое изображение на рисунке является примером пульсирующей волны или спектрального допплера. Допплеровские спектрограммы могут быть полезны для идентификации и распознавания венозного и артериального спектров.
Энергетический допплер — вид цветового допплера, который использует несколько другой компонент отраженного сигнала и оказывается более чувствительным для выявления медленных потоков. Этот режим жертвует способностью определять направление потока для повышения чувствительности при обнаружении более слабых потоков. Многие из новых аппаратов для экстренного ультразвукового обследования в настоящее время имеют такую функцию. Врачи могут использовать эти возможности техники для усиления своего диагностического потенциала.
Ситуации, когда D- и М режимы имеют диагностическое значение, мы рассмотрим в соответствующих стать
Распознавание артефактов изображения и понимание механизмов их образования имеет исключительное значение. Нераспознанные артефакты могут привести к неправильной интерпретации результатов ультразвукового обследования у постели больного.
Акустическое затенение — характерный ультразвуковой эффект, который может помочь при диагностике некоторых состояний (таких, как холелитиаз) однако мешает визуализации дистально расположенных структур (например тень от ребра).
Он возникает, когда звуковой луч сталкивается с сильно отражающей (сильно ослабляющей) поверхностью, такой, как кость или кальцинат. Затенение выглядит как гипоэхогенная/анэхогенная область глубже отражающей поверхности, так как ультразвуковые волны не могут проникнуть за сильно отражающую структуру.
Воздух также может вызывать затенение, потому что ультразвуковая энергия рассеивается по всем направлениям на границе между тканями и воздухом.
Реверберация происходит, когда звуковой луч, многократно отражаясь, «гуляет« между двумя структурами с высокой отражающей способностью. Реверберация выглядит как повторяющиеся яркие дуги, называемые А-линиями, располагающиеся через равные интервалы от датчика. Клинически важным вариантом реверберации является ситуация, когда звуковые колебания оказываются «запертыми» между двумя высокоэхогенными структурами, которые расположены близко одна от другой, такими как висцеральная и париетальная плевра. Фиброзная ткань «запирает» ультразвуковой луч и он бесконечно возвращается вперед и назад таким образом, что отраженный эхо-сигнал отображается на экране в виде прямого яркого светлого эхо, также известного как «хвост кометы» или В-линия.
Данная концепция повторно рассматривается в последующих разделах, потому что артефакт «хвост кометы» — важная находка при обследовании легкого. Клиническое значение артефактов, связанных с реверберацией, описывается в нашей статье.
Рефракция возникает, когда звуковой луч пересекает под острым углом границу тканей с различными скоростями распространения звука. Рефракция выглядит, как акустическая тень, начинающаяся от точки, где звуковой луч меняет направление.
Зеркальные изображения возникают, когда звуковой луч подвергается множественным отражениям и происходит неправильная обработка и интерпретация сигнала аппаратом. Когда луч сталкивается с сильно отражающим объектом (R), часть звуковой энергии отражается в обратном направлении. Когда этот отраженный луч сталкивается с объектом (А), информация о его относительной яркости передается назад к датчику. Однако глубина его нахождения вычисляется неправильно, поскольку аппарат считает, что ультразвуковой луч прошел по прямой линии до объекта.
Так как путь отраженного луча (сплошные стрелки) занимает большее время прохождения туда и обратно, чем путь напрямую до объекта и назад, аппарат рассчитывает, что объект находится глубже, чем он располагается на самом деле. Это приводит к отображению вычисленного аппаратом ложного объекта (В), лежащего вдоль направления распространения начального ультразвукового луча. Зеркальное копирование выглядит как дублирование объекта с зеркальным изображением, всегда находящимся глубже настоящей структуры. Зеркальное изображение исчезнет при незначительных изменениях положения датчика, тогда как настоящий объект должен быть виден во многих плоскостях.
Усиление (или заднее акустическое усиление) — это артефакт, связанный с усилением яркости глубже анэхогенного объекта (обычно кистозной структуры или кровеносного сосуда). Это происходит, когда звук проходит через область с низким ослаблением сигнала. Данное явление заключается в увеличении эхогенности кзади от объектов с низким ослаблением, потому что звук возвращается к датчику, имея большую интенсивность, чем от прилежащих областей. Например, лучи справа на иллюстрации ослаблены равномерно, так как они прошли через ткани. Они возвратились к датчику с намного меньшей энергией (более тонкая стрелка), чем они были посланы датчиком. Луч в центре рисунка не теряет энергию при прохождении через кисту, и таким образом, сохраняет намного больше энергии, чтобы вернуться к датчику.
Разнообразный мир ультразвуковых диагностических приборов
Среди всех средств медицинской интроскопии или, другими словами, средств визуализации внутренних органов и структур ультразвуковые диагностические приборы занимают особое место.
Классификация ультразвуковых приборов
Количество моделей УЗИ аппаратов, выпускаемых различными фирмами, достаточно велико, и для того, чтобы ориентироваться в этом многообразии, полезно ввести определенную классификацию приборов.
Естественно систематизировать приборы по функциональным возможностям и назначению, а также по техническому уровню и качеству выполняемых функций.
Имея в виду функциональные возможности и назначение, можно выделить универсальные и специализированные УЗ сканеры.
Универсальные приборы можно разделить на три основных типа в зависимости от используемых в них режимов работы.
| 
