Основные положения:
• В ультразвуковых исследованиях для визуализации внутренних органов используются звуковые волны; для сравнения при обзорной рентгенографии и компьютерной томографии (КТ) используется ионизирующее излучение.
• При использовании высокочастотных датчиков можно получить изображения с более высоким разрешением, но волны проникают не так глубоко, как при использовании низкочастотных датчиков; однако при использовании низкочастотных датчиков получаются изображения с более низким разрешением.
• Наиболее распространенным режимом, используемым при проведении УЗИ у постели больного, является В-режим, или двухмерный режим. Также в отдельных случаях используются М-режим и ультразвуковая допплерография.

а) Общие сведения. Использование ультразвука с целью диагностики в медицине началось в конце 1940-х гг., но изучение физики ультразвука восходит к Древней Греции. В VI в. до нашей эры Пифагор изучал гармонические колебания на струнных инструментах и описал уникальные свойства звуковых волн.

К концу XVIII в. Лаззаро Спалланцани (Lazzaro Spallanzani) углубил знания ученых о звуковых волнах на основании результатов своих исследований эхолокации летучих мышей. Пьер и Жак Кюри (Pierre, Jacques Curie) в 1880 г. описали пьезоэлектрические свойства отдельных материалов, что послужило одним из важнейших событий в эволюции области УЗИ.

Многие другие ключевые события, такие как изобретение сонара Фессенденом (Fessenden) и Ланжевеном (Langevin) после того, как утонул «Титаник», и изобретение радара Уотсоном-Уоттом (Watson-Watt), продолжали формировать наше понимание физики ультразвука.

Ультразвук начали использовать в медицине в конце 1940-х гг. благодаря работам Джорджа Людвига (George Ludwig) и Джона Уайлда (John Wild) в США и Карла Теодора Дуссика (Karl Theodore Dussik) в Европе.

Несмотря на то что технологический прогресс привел к усовершенствованию УЗ-аппаратов и улучшению качества изображений, в основе их работы до сих пор лежат те же физические принципы, что и столетия назад. Понимание физики ультразвука помогает медицинским работникам правильно получать и интерпретировать изображения. В данной главе рассмотрены фундаментальные физические принципы ультразвука и режимы визуализации.

б) Принципы. Звуковые волны испускает пьезоэлектрический материал, содержащийся в ультразвуковых датчиках, — чаще всего это синтетический керамический материал (титанат цирконата свинца). При приложении к пьезоэлектрическому материалу быстро меняющегося электрического напряжения в материале возникают соответствующие механические колебания.

Поскольку данный материал быстро растягивается и сжимается, в прилегающем материале также возникают вибрации и образуется звуковая волна. Механические свойства пьезоэлектрического материала определяют диапазон частот образующихся звуковых волн. Звуковые волны проходят через среды посредством сжатия и расширения вещества (рис. 1).

Данный процесс генерации механического напряжения при применении электрического сигнала к пьезоэлектрическому материалу называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Противоположный процесс — образование электрического сигнала при создании механического напряжения пьезоэлектрического материала — известен как прямой пьезоэлектрический эффект.

Датчики генерируют ультразвуковые волны за счет обратного пьезоэлектрического эффекта, а отражающиеся ультразвуковые волны, или эхо, тот же датчик получает и преобразует в электрический сигнал за счет прямого пьезоэлектрического эффекта. Процессор компьютера анализирует полученный электрический сигнал и, основываясь на его амплитуде, выводит на экран изображение в шкале оттенков серого. Основными параметрами ультразвуковых волн являются частота, длина волны, скорость, мощность и интенсивность.

1. Частота и длина волны. Термин «ультразвук» обозначает звуковые волны с частотой выше диапазона частоты волн, слышимых человеческим ухом (>20 кГц). Обычно в медицинской сонографии используют диапазон частот от 1 до 15 МГц. Частота (f) представляет собой количество циклов звуковых волн в секунду, или герц (Гц); она обратно пропорциональна длине волны (λ) и прямо пропорциональна скорости распространения звука в определенной ткани (с) по формуле: f= с/λ.

Частота определяется свойствами пьезоэлектрических кристаллов, а скорость распространения волн определяется плотностью и жесткостью тканей. Средняя скорость проникновения ультразвука в тканях составляет 1540 м/с.

Два важных показателя УЗИ — это глубина проникновения волн и разрешение, или резкость, изображения; последнее обычно измеряется используемой длиной волны. Например, при использовании волн длиной 1 мм исследуемые изображения в масштабе менее 1 мм выглядят размытыми. Ультразвуковые волны более короткой длины характеризуются более высокой частотой и обеспечивают получение изображений с более высоким разрешением, но проникают на меньшую глубину.

Напротив, ультразвуковые волны большей длины характеризуются более низкой частотой, они обеспечивают получение изображений с более низким разрешением, но проникают глубже. Зависимость между частотой, разрешением и глубиной проникновения волн в типичный биологический материал проиллюстрирована на рис. 2. Максимизация разрешения в осевом направлении при сохранении достаточной глубины проникновения волн является основным условием выбора датчика с подходящей частотой.

В линейных датчиках применяются более высокие частоты, их используют для визуализации поверхностных структур, чаще всего сосудов, мягких тканей и суставов. В конвексных и фазированных датчиках применяются более низкие частоты, их используют для визуализации глубинных структур грудной клетки, брюшной полости и таза.

2. Мощность и интенсивность волн. Средняя мощность волны (Вт) — это суммарное количество энергии, передающейся ткани за определенное время. Интенсивность волны — это концентрация мощности в единице площади (Вт/см²). Интенсивность ультразвуковых волн определяет количество тепла, генерируемого в тканях. При соблюдении рекомендаций производителя УЗ-аппарата при проведении ультразвуковой диагностики в тканях обычно генерируется незначительное количество тепла.

Однако количество генерируемого тепла становится важным, если речь идет о терапевтическом применении ультразвука, например при литотрипсии (см. раздел «Безопасность» ниже).

в) Разрешение. Разрешение изображения включает в себя аксиальную, латеральную, сагиттальную и временную составляющие (рис. 3). Аксиальное разрешение — это способность различить два объекта вдоль оси ультразвукового луча, которая соответствует вертикальному разрешению на экране. Аксиальное разрешение зависит от частоты датчика. При использовании более высокой частоты получаются изображения с лучшим аксиальным разрешением, но высокочастотные волны проникают на меньшую глубину.

Боковое, или латеральное, разрешение — это способность различить два объекта, располагающиеся перпендикулярно относительно ультразвукового луча, данный тип разрешения зависит от ширины луча на заданной глубине. Можно оптимизировать боковое разрешение путем помещения целевой структуры в фокальную зону ультразвукового луча. Ультразвуковой луч имеет изогнутую форму, и фокальная зона представляет собой самое узкое место луча, характеризующееся максимальной интенсивностью. Боковое разрешение снижается при визуализации более глубоких структур из-за расходимости и более сильного рассеяния ультразвукового луча.

Сагиттальное разрешение — это фиксированное свойство датчика, представляющее собой возможность различения объектов по высоте, или толщине, ультразвукового луча. На общее разрешение полученного изображения оказывает влияние количество отдельных кристаллов, испускающих и принимающих ультразвуковые волны, а также их чувствительность. Под временным разрешением понимают четкость, или разрешение, подвижных структур.

г) Получение эхограмм. Отражение, преломление, рассеивание, передача и поглощение тканями звуковых волн происходит за счет различий в физических свойствах тканей (рис. 4). Получение изображений происходит из-за отражения звуковых волн и попадания их обратно на датчик. Датчики принимают возвращающиеся звуковые волны и регистрируют их интенсивность. Механическая деформация пьезоэлектрического материала датчика приводит к образованию электрического импульса, пропорционального амплитуде возвращающихся звуковых волн.

Совокупность электрических импульсов образует карту из точек разных оттенков серого, которую мы видим на экране как сонограмму. Глубина залегания структур вдоль оси ультразвукового луча определяется временной задержкой, с которой эхо возвращается на датчик. Датчик импульсно испускает и принимает звуковые волны, в результате чего получается динамическое изображение (рис. 5). Отражение звуковых волн и их проникновение через ткани зависят от двух важных параметров: акустического сопротивления и затухания.

1. Акустическое сопротивление. Скорость проникновения звуковых волн в ткани — это скорость звука в тканях, зависящая от их физических свойств. Акустическое сопротивление — это сопротивление тканей проникновению ультразвуковых волн, которое является неизменным свойством ткани и определяется плотностью массы конкретной ткани и скоростью распространения в ней волны (табл. 1).

Различия в акустическом сопротивлении определяют отражательную способность для звуковых волн на границе между тканями. Чем больше разница в акустическом сопротивлении, тем сильнее отражение звуковых волн. Например, на границе тканей с воздухом звуковые волны отражаются во всех направлениях (или рассеиваются), что связано с большой разницей величин акустического сопротивления воздуха и тканей тела. Отражение звуковых волн на границе контакта тканей с воздухом объясняет необходимость заполнения пространства между датчиком и поверхностью кожи жидкой средой, чаще всего гелем, который обеспечивает передачу звуковых волн в тело.

УЗ-аппараты откалиброваны таким образом, чтобы регистрировать небольшие различия сопротивления, поскольку только 1% звуковых волн отражается и попадает обратно на датчик. Большинство звуковых волн (99%) рассеиваются, преломляются или поглощаются и не возвращаются к датчику.

2. Затухание. По мере прохождения звуковых волн через ткани количество энергии снижается, это снижение количества энергии называется затуханием. Затухание обусловлено поглощением, отклонением и расходимостью звуковых волн, зависит от коэффициента затухания тканей, частоты звуковых волн и расстояния, пройденного звуковыми волнами. Каждому типу тканей присущ определенный коэффициент затухания (табл. 2). Под поглощением, основной причиной затухания, понимают передачу энергии звука тканям в виде тепловой энергии.

Образование тепла является важным вопросом, связанным с безопасностью УЗИ. Поглощение также является важнейшим фактором, определяющим глубину проникновения ультразвука. Высокочастотные звуковые волны поглощаются лучше, поэтому они проникают не так глубоко, как низкочастотные звуковые волны. Преломление волн, еще одна причина затухания, связано одновременно с отражением, преломлением и рассеиванием энергии в тканях. Отклонение приводит к снижению амплитуды эха, особенно если исследуемые поверхности контакта тканей не перпендикулярны ультразвуковому лучу.

Термин «расходимость» обозначает снижение интенсивности ультразвукового луча по мере его расширения вследствие распространения фиксированного количества акустической энергии на более обширной площади. Чтобы преодолеть затухание, можно попробовать увеличить усиление или амплифицировать сигнал при последующей обработке изображения. Однако увеличение усиления оказывает влияние как на сигнал, так и на шум. При регулировке усиления можно изменить только сгенерированное компьютером изображение, но не повысить качество сигнала.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Режимы ультразвуковых исследований"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 24.12.2023