Использование различных режимов ультразвуковой визуализации позволяет оценить различные характеристики одних и тех же структур. Далее мы обсудим следующие режимы визуализации: двумерный (2D), или режим яркости (В-режим); режим движения (М-режим) и допплерографические режимы (D-режим).

а) Двумерный режим. В двумерном (2D) режиме выполняют большинство диагностических УЗИ, данный режим является режимом, установленным по умолчанию в большинстве УЗ-аппаратов. Данный режим также называют В-режимом, или режимом яркости (от английского слова «brightness»), поскольку эхогенность, или «яркость», наблюдаемых структур зависит от интенсивности отражаемых сигналов. Структуры, передающие все звуковые волны и не отражающие их, являются анэхогенными и отображаются на эхограмме черным цветом.

Анэхогенны обычно структуры, содержащие жидкости, например кровь, желчь и моча. Гипоэхогенными называются структуры, отражающие меньшее количество звуковых волн, чем окружающие структуры, например кора почек по отношению к печени. Структуры, отражающие одинаковое количество звуковых волн, называют изоэхогенными. Гипо- и изоэхогенные структуры на изображении показаны оттенками серого, обычно такие структуры характерны для паренхиматозных органов, мягких тканей и мышц.

Гиперэхогенные структуры отражают большинство звуковых волн и отображаются на эхограмме ярко-белым цветом. Кальцифицированные и плотные или фиброзные структуры, такие как диафрагма либо перикард, являются гиперэхогенными. При визуализации некоторых гиперэхогенных структур, например костей, образуются тени вследствие почти полного отражения звуковых волн. Эта особенность часто мешает визуализации нижележащих структур. На рис. 1 показана различная эхогенность тканей в верхнем правом квадранте брюшной полости.

б) М-режим. М-режим, или режим движения, представляет собой более ранний режим визуализации, который, однако, до сих пор часто используется для анализа движения структур во времени. После получения двумерного изображения курсор М-режима направляют вдоль одной линии двумерного изображения. Аппарат испускает одноосный луч вдоль линии движения курсора и регистрирует движение всех тканей вдоль этой линии во времени. С использованием данного режима можно проводить оценку размеров полостей или движение структур. М-режим часто используют для измерения камер сердца или исследования движения клапанов сердца во время сердечного цикла (рис. 2).

Среди других вариантов применения УЗИ у постели больного — измерение респираторной вариации нижней полой вены и оценка пространства между легкими и плеврой для описания пневмоторакса.

в) Ультразвуковая допплерография. Эффект Допплера представляет собой сдвиг частоты звуковых волн, вызванный смещением источника звуковых волн и (или) смещением наблюдателя. В сонографии в качестве первичного источника звуковых волн выступает датчик, и тот же датчик является «принимающим устройством» для возвращающегося эхосигнала. Движение тканей, чаще всего ток крови, приводит к сдвигу частоты возвращающихся звуковых волн. Движение крови в сторону датчика ведет к увеличению частоты возвращающегося эхосигнала, а движение крови от датчика — к снижению его частоты (рис. 3).

Разница между частотой испускаемых и принимаемых звуковых волн называется допплеровским сдвигом. Величину допплеровского сдвига определяют следующие переменные.
1. Частота ультразвуковых волн.
2. Скорость кровотока.
3. Угол инсонации.

Уравнение Допплера: Допплеровский сдвиг = [2(частота ультразвукового луча) х (скорость кровотока) х (косинус угла инсонации)]/скорость проникновения ультразвука в тканях.

Критической величиной в уравнении Допплера является величина угла инсонации — угла между направлением ультразвукового луча и направлением измеряемого потока (рис. 4). Допплеровский сдвиг можно увеличить, увеличив частоту ультразвукового луча, скорость кровотока или уменьшив угол инсонации. Для более точной оценки скоростей в уравнении Допплера используется поправочный коэффициент для угла инсонации. Если ультразвуковой луч перпендикулярен направлению кровотока, допплеровский сдвиг измерить нельзя. В идеале ультразвуковой луч должен быть параллелен направлению кровотока, однако чаще можно получить почти параллельный угол пересечения — от 0 до 60°.

Уменьшение угла и приближение ультразвукового луча к направлению кровотока приводят к получению положительного допплеровского сдвига, а отклонение ультразвукового луча от направления кровотока ведет к получению отрицательного допплеровского сдвига (рис. 5).

г) Спектральный допплер. Эффект Допплера можно изобразить с использованием графика зависимости скорости (по оси у) от времени (по оси х), называемого спектральным допплером. Общепринято, что сдвиги частот, отображаемые над базовой линией, соответствуют скоростям движения в сторону датчика, а сдвиги под базовой линией соответствуют скоростям движения от датчика. Спектральный допплер подразделяется на импульсно-волновой (ИВД) и постоянно-волновой (ПВД), данный метод позволяет выполнить количественную оценку скорости кровотока (рис. 6).

Импульсно-волновой допплер — это импульсное испускание звуковых волн, позволяющее измерить допплеровский сдвиг в конкретной точке. После подачи импульсного сигнала в ткани датчик должен дождаться возвращения эхосигнала, а затем уже испускать следующий импульс. Этот цикл передачи импульса в ткани и приема возвращающегося эхосигнала повторяется быстро с частотой, которая называется частотой повторения импульсов (ЧПИ). В идеале используется максимально возможная ЧПИ; однако максимальная ЧПИ определяется временем распространения волны, которое, в свою очередь, ограничено глубиной ткани.

При увеличении глубины ткани увеличивается продолжительность ожидания эха, что снижает максимальную ЧПИ, вплоть до появления нечеткого сигнала или искажения спектра. При возникновении искажения невозможно определить реальную скорость и направление волны. Максимальная допплеровская частота, или скорость, которую можно измерить до возникновения искажения, называется пределом Найквиста. Данный предел составляет половину ЧПИ, поскольку необходимо испустить не менее двух волн одной длины для достоверной оценки скорости и направления (рис. 7).

Значение предела Найквиста можно проиллюстрировать на примере тяжелого стеноза аорты. Клапан аорты (АК) представляет собой относительно глубокую структуру, которая ограничивает ЧПИ и затрудняет точное измерение высоких скоростей при тяжелом стенозе аорты. Техники, используемые для предотвращения возникновения искажения, включают максимизацию ЧПИ (или скорости) для увеличения предела Найквиста, смещение базовой линии для увеличения предела Найквиста в определенном направлении, уменьшение глубины изображения, выбор меньшей частоты датчика и переход в режим ПВД.

Помимо увеличения пространственного разрешения, ИВД позволяет ослабить помехи от близлежащих структур. Основным недостатком данного метода является его чувствительность к искажению вследствие предела Найквиста.

В отличие от пространственно точной импульсно-волновой, постоянно-волновая допплерография измеряет скорость кровотока вдоль всей длины ультразвукового луча. Данная техника основана на применении двух различных пьезоэлектрических кристаллов, которые непрерывно испускают и принимают сигналы; поэтому в данном случае отсутствует ЧПИ, предел Найквиста, и искажения не возникают. Постоянно-волновая допплерография чаще всего используется для измерения высоких скоростей, которые нельзя точно измерить с использованием импульсно-волновой допплерографии, например при тяжелом стенозе аорты.

Основным ограничением постоянно-волновой допплерографии является невозможность измерить скорости на определенной глубине, поскольку допплеровские сигналы приходят от всех тканей, расположенных на пути ультразвукового луча. В импульсно-волновой и постоянно-волновой допплерографии точность измерения зависит от качества сигнала, который определяет визуальную четкость пиков и кривых спектра, используемых для определения скоростей.

д) Цветовое допплеровское картирование. При помощи цветового допплеровского картирования можно получить карты с цветовым кодированием, отражающие допплеровские сдвиги, наложенные на двумерные эхограммы (рис. 8). Цветовое допплеровское картирование основано на тех же принципах, что и импульсно-волновая допплерография, но для построения карты с цветовым кодированием необходимо испускание более коротких импульсов из большого количества небольших зон. Если скорости превышают предел Найквиста, пиксели образуют цветное мозаичное изображение (включающее синий, красный и белый цвета), поскольку невозможно достоверно определить направление потока.

При цветовом допплеровском картировании цвет обозначает скорость и направление потока. Традиционно синим цветом обозначают кровь, направляющуюся от датчика (более длинные волны), а красным — кровь, текущую к датчику (более короткие волны). Следует отметить, что красный и синий цвета не связаны с обозначением артериальной и венозной крови, цветом обозначают только направление тока крови относительно датчика. Если ультразвуковой луч перпендикулярен направлению потока, нельзя измерить допплеровский сдвиг, окраска рисунка в красный и синий цвета будет неоднозначной (рис. 9).

е) Энергетическая допплерография. С использованием энергетической допплерографии аналогично цветовому допплеровскому картированию оценивают сигналы эха, но данная методика обладает уникальными характеристиками. Метод энергетической допплерографии оценивает только амплитуду возвращающихся эхо (рис. 10). Таким образом, результат энергетической допплерографии накладывают на двумерную эхограмму, и уровни яркости коррелируют с величиной потока. Чувствительность данного метода в отношении обнаружения потока в 3—5 раз превышает чувствительность традиционного цветного допплеровского картирования. Энергетическая допплерография имеет два важных ограничения:

1) она не дает информации о направлении потока, что ограничивает возможность ее применения при визуализации сердца;

2) изображения более чувствительны к образованию артефактов — световых артефактов, возникновение которых связано с движением окружающей мягкой ткани.

В сравнении с цветовым допплеровским картированием энергетическая допплерография характеризуется двумя преимуществами: меньшей зависимостью от угла инсонации и отсутствием искажения из-за отображения мощности допплеровского сигнала, а не среднего сдвига частот. Области практического применения энергетической допплерографии включают оценку тканей с низкой скоростью кровотока, например суставов или яичек, и оценку структур, для которых направление кровотока некритично, например исследования кровотока в опухолях.

ж) Тканевая допплерография. Тканевая допплерография — это применение допплерографии для измерения движения мышц, чаще всего миокарда. Тканевую допплерографию можно проводить с использованием импульсно-волновой допплерографии или цветового допплеровского картирования для определения характера сокращения и расслабления мышц. В отличие от высокочастотных низкоамплитудных сигналов кровотока, ткани миокарда генерируют низкочастотные высокоамплитудные сигналы. Тканевые допплерограммы чаще всего получают с использованием импульсно-волновой допплерографии на отдельном конкретном сегменте миокарда (рис. 11) или цветового картирования сердца.

Тканевая допплерография позволяет более точно оценить систолическую и диастолическую функцию правого или левого желудочка посредством измерения скорости движения мышц вместо изменения размера полостей. Сокращение и расслабление желудочка вдоль продольной оси можно оценить с использованием импульсно-волновой тканевой допплерографии, располагая допплеровское контрольное окно в непосредственной близости от фиброзного кольца митрального клапана (МК), чтобы измерить его движение.

Метод тканевой допплерографии ограничен его способностью к различению активного и пассивного движения. Допплеровская визуализация деформации представляет собой новый режим, позволяющий различить активное и пассивное движение с использованием оценки изменения длины ткани. Частичное изменение длины мышечного сегмента, или изменение формы, называется деформацией и выражается в процентах от исходной длины сегмента (рис. 12).

б) Контрольные вопросы:

1. Как называется явление, во время которого отраженные звуковые волны (эхо) возвращаются к ультразвуковому датчику, в результате чего возникает электрический ток?
A. Обратный электромагнитный эффект.
Б. Прямой электромагнитный эффект.
B. Обратный пьезоэлектрический эффект.
Г. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Ответ: Г. Прямой пьезоэлектрический эффект — это превращение механической энергии в электрическую, которое происходит, когда эхо возвращается на датчик, деформирует встроенные кристаллы, и возникает электрический ток. Обратное явление приложения электрического тока к кристаллам с образованием ультразвуковых волн называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Эти физические свойства пьезоэлектрических кристаллов, чаще всего титанат цирконата свинца, используемого в современных ультразвуковых датчиках, впервые были описаны в 1880-х гг.

2. Какой из перечисленных недостатков свойствен высокочастотным датчикам?
A. Повышенный риск термического поражения.
Б. Менее глубокое проникновение звуковых волн в ткань.
B. Сниженное разрешение в осевом направлении.
Г. Сниженное временное разрешение.

Ответ: Б. С использованием высокочастотных датчиков можно получить более резкое изображение с более высоким разрешением, однако звуковые волны, сгенерированные высокочастотными датчиками, проникают на меньшую глубину, чем волны, сгенерированные низкочастотными датчиками. При проведении диагностической визуализации риск термического поражения минимален, при проведении УЗИ у постели больного случаев термического повреждения тканей отмечено не было. Тем не менее теоретически можно нанести травму, если высокоинтенсивный ультразвуковой луч, например импульсно-волновой допплер, сфокусирован в течение продолжительного времени на небольшой точке чувствительной ткани, например ткани развивающегося плода.

3. Каким образом можно оптимизировать боковое разрешение при получении эхограмм?
A. При помощи расположения целевой структуры в фокальной зоне.
Б. Снизить глубину.
B. Увеличить частоту ультразвука.
Г. Увеличить количество пьезоэлектрических кристаллов.

Ответ: А. Боковое, или латеральное, разрешение обозначает способность различать объекты, расположенные перпендикулярно направлению ультразвукового луча; его можно оптимизировать, расположив целевую структуру в фокальной зоне ультразвукового луча. Снижение глубины и увеличение частоты ультразвука способствуют увеличению аксиального (или вертикального) разрешения. Увеличение количества пьезоэлектрических кристаллов будет способствовать увеличению сагиттального разрешения — внутренней характеристики датчика.

4. Какой основной недостаток имеет использование постоянно-волновой допплерографии для измерения потока?
A. Невозможность различить направление потока.
Б. Наличие помех от окружающих структур.
B. Более продолжительная регистрация изображения в сравнении с импульсно-волновой допплерографией.
Г. Данный метод недоступен на большинстве портативных УЗ-аппаратов.

Ответ: Б. Постоянно-волновая допплерография обеспечивает измерение скорости потока и его направления вдоль ультразвукового луча. Поскольку ультразвуковые волны непрерывно испускаются различными кристаллами, для постоянно-волновой допплерографии отсутствует предельная доступная для измерения скорость, но основным недостатком метода является то, что на определенных глубинах на скорости оказывают влияние все структуры, движущиеся вдоль ультразвукового луча. Продолжительность регистрации изображений методами импульсно-волновой и постоянно-волновой допплерографии одинакова, кроме того, оба режима визуализации доступны на многих современных портативных УЗ-аппаратах.

5. Какой термин лучше всего описывает ультразвуковую эхогенность этой структуры (рис. 13)?
A. Гиперэхогенная.
Б. Изоэхогенная.
B. Гипоэхогенная.
Г. Анэхогенная.

Ответ: Г. Заполненные жидкостью структуры свободно пропускают звуковые волны и выглядят черными на эхограммах. Данные структуры являются анэхогенными, поскольку демонстрируют «отсутствие отраженного сигнала эхо». Очень низкий коэффициент затухания волн в жидкости облегчает прохождение звуковых волн. Все свободно текущие жидкости, включая мочу, желчь, кровь и асцит, выглядят анэхогенными, и их нельзя различить на эхограмме.

6. Какой режим визуализации проиллюстрирован ниже (рис. 14)?
А. М-Режим.
Б. Спектральный допплер.
В. Импульсно-волновая допплерография.
Г. Энергетическая допплерография.

Ответ: А. Данное изображение — пример использования М-режима УЗИ, или режима движения. УЗИ в М-режиме позволяет изучить движение тканей во времени вдоль одной оси — оси ультразвукового луча — и позволяет оценить изменения размеров или расстояния, пройденного тканями. Среди частых клинических применений М-режима оценка респираторной вариации диаметра нижней полой вены (см. рис. 15) и измерение камер сердца во время систолы и диастолы.

7. Что из перечисленного увеличивает амплитуду допплеровского сдвига?
A. Уменьшение угла инсонации.
Б. Снижение частоты ультразвукового луча.
B. Снижение скорости кровотока.
Г. Ничего из вышеперечисленного.

Ответ: А. Допплеровский сдвиг представляет собой изменение частот ультразвуковых волн, вызванное смещением источника и наблюдателя относительно друг друга. Ниже приведено уравнение Допплера:
Допплеровский сдвиг = [2(частота ультразвукового луча) х х (скорость кровотока) х (косинус угла инсонации)]/скорость прохождения ультразвука в тканях.
Ультразвуковой луч направляют максимально параллельно, чтобы снизить угол инсонации, что приведет к увеличению амплитуды допплеровского сдвига. В качестве альтернативы увеличение частоты ультразвукового луча или скорости кровотока либо снижение скорости прохождения ультразвука в тканях может приводить к увеличению допплеровского сдвига.

8. При помощи какого режима визуализации можно обнаружить ток жидкости внутри опухолевидных образований в яичниках?
A. Тканевая допплерография.
Б. М-режим.
B. Энергетическая допплерография.
Г. Импульсно-волновая допплерография.

Ответ: В. Чувствительность энергетической допплерографии в отношении регистрации токов с низкими скоростями выше, чем чувствительность цветового допплеровского картирования, поэтому для исследования токов в опухолях и суставах предпочтительно использовать энергетическую допплерографию. Энергетическая допплерография не дает информации о направлении тока, поэтому ее применяют в случаях, когда направление тока не имеет значения, например при оценке опухолевидных образований в яичниках.

9. Какое явление проиллюстрировано на рис. 15?
А. Взаимодействие.
Б. Образование полостей.
В. Алиасинг.
Г. Ничего из перечисленного.

Ответ: В. На данном изображении верхушки пятикамерного сердца показан алиасинг, поскольку кровь протекает через выносящий тракт левого желудочка. При возникновении алиасинга при цветовом допплеровском картировании направление тока жидкости кажется противоположным. На данном изображении кровь течет в направлении от датчика через выносящий тракт левого желудочка, при этом в верхнем левом углу кровь окрашена в синий цвет. Центральная часть исходящего потока окрашена в красно-оранжевый цвет вследствие алиасинга. Алиасинг возникает вследствие недостаточного количества потока с высокой скоростью, что в конечном итоге приводит к неоднозначному сигналу.

10. Какие значения теплового и механического индексов считаются приемлемыми при проведении диагностического УЗИ в медицине?
A. Менее 1.
Б. Менее 5.
B. Менее 10.
Г. Менее 20.

Ответ: А. Тепловой индекс (ТИ) — это отношение мощности испущенного звука к теоретической мощности, необходимой для увеличения температуры визуализируемой ткани на 1 °C, которое отражает риск причинения тепловой травмы ультразвуковым лучом. Механический индекс (МИ) — это отношение максимального отрицательного давления, отражающее риск повреждения ультразвуком ткани за счет образования полостей. Безопасным считается поддержание показателей ТИ и МИ ниже 1. Несмотря на то что не было отмечено нежелательных явлений, связанных с проведением диагностического УЗИ, рекомендуется принцип разумно необходимого минимального достижимого уровня воздействия (As Low As Reasonably Achievable — ALARA).

- Рекомендуем ознакомиться далее "Безопасность ультразвуковых исследований"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 24.12.2023