а) Звук и звуковые волны. Некоторые виды животных: дельфины, киты и летучие мыши — способны создавать визуальный образ, основанный на получении отраженных звуковых волн. Зрение человека без дополнительных приспособлений ограничивается восприятием электромагнитных волн в спектре видимого света.

Для того чтобы использовать звук для создания изображения, людям требуются технологии и знание физики. В этой главе рассмотрено, как была разработана методика создания визуального образа из звуковых волн.

В отличие от света, в основе которого лежит электромагнитная энергия, звук передается как механическая энергия, и звуковым волнам требуется среда распространения. К тому же свет, в отличие от звука, способен перемещаться через вакуум. Качества передающей среды непосредственно влияют на распространение звука. Материалы имеют различную скорость передачи звука.

Она постоянна для определенного материала и не зависит от частоты звука (рис. 1). Акустический импеданс — это величина, обратная способности материала к проведению звука. Когда звук проходит через материал и встречает изменения акустического импеданса, одна часть звуковой энергии отражается, а другая проводится дальше. Количество отраженной энергии пропорционально разнице акустического импеданса. Последний зависит от плотности и жесткости материала, а также от скорости звука.

Звуковые волны распространяются путем сжатия и разрежения молекул в пространстве (рис. 2). Молекулы передающей среды совершают колебания около своего положения покоя и передают свою энергию соседним молекулам. Звуковые волны переносят энергию, а не материю через пространство.

Как показано на рис. 2, звуковые волны распространяются в продольном направлении. Как правило, они представлены синусоидой, где пик соответствует максимальному сжатию молекул в пространстве, а нисходящая часть — максимальному разрежению. Частота — это число циклов УЗ-волн за единицу времени. Герц (Гц) соответствует одному такому циклу в секунду. Спектр, воспринимаемый человеческим ухом, находится в диапазоне от 30 до 20 000 Гц. Ультразвук — это звуковые волны с частотой выше слышимого спектра.

Типичные частоты, используемые в диагностическом УЗИ, варьируют от 5 до 15 млн циклов в секунду (5 и 15 МГц).

В диагностических УЗ-приборах используют импульсный режим: после интервала передачи звука следует интервал, в течение которого отраженные волны воспринимаются и анализируются. Обычно в виде импульса передаются 3 цикла. Пространственная протяженность импульса — это длина пространства, заполненного 3 циклами (рис. 3). Пространственная протяженность импульса является одним из факторов, определяющих разрешение. Поскольку более высокие частоты имеют меньшую протяженность импульса, при их использовании разрешение всегда выше. Как показано на рис. 3, при частоте 15 МГц длина волны в биологических тканях приблизительно составляет 0,1 мм, что позволяет добиться аксиального разрешения 0,15 мм. Хотя с увеличением частоты разрешение улучшается, глубина проникновения УЗ-волн уменьшается, и это ограничивает визуализацию более глубоко расположенных структур.

Как упоминалось выше, скорость звука постоянна для определенного материала или биологической ткани. Она не зависит от частоты или длины волны. Скорость звука увеличивается с повышением жесткости материала и снижается с его уменьшением. Как показано на рис. 1, обычно биологические ткани имеют различную скорость распространения. Кость — очень плотная и жесткая ткань — имеет высокую скорость распространения — 4080 м/с. Для жировой ткани (низкие жесткость и плотность) отмечается сравнительно низкая скорость распространения звука — 1450 м/с.

Большинство мягких тканей имеет скорость распространения звука около 1540 м/с. Мышцы, печень и ЩЖ имеют немного более высокую скорость распространения звука. Во всем УЗ-оборудовании используется усредненная скорость — 1540 м/с. Расстояние до объекта, отображаемого на УЗ-изображении, рассчитывается путем умножения скорости звука на интервал времени возврата звукового сигнала к преобразователю. Используя 1540 м/с в качестве принятого показателя скорости распространения звука, все УЗ-оборудование обеспечивает одинаковые измерения расстояния или размера.

Отражение — это изменение направления части звуковой волны от границы раздела тканей с разным акустическим импедансом. Большие различия в импедансе приведут к большему числу отражений. Однородный по акустическому импедансу материал не генерирует внутренние эхосигналы. Киста — типичный пример анэхогенной структуры. Большинство биологических тканей обладает различной степенью неоднородности как на клеточном, так и на макроскопическом уровне. Соединительная ткань, кровеносные сосуды и клеточные структуры создают разницу акустического импеданса, которая приводит к образованию характерных эхографических картин (рис. 4-6).

Отражение определяется как зеркальное, если отражающая поверхность гладкая, как зеркало. Диффузное отражение получается при неровной отражающей поверхности. При этом длина волны варьирует от равной до меньшей, чем длина волны падающего звука. Диффузное отражение приводит к рассеиванию звуковых волн и возникновению шума.

б) Создание ультразвукового изображения. На ранних этапах УЗИ заключалось в проведении звуковых волн через тело, при этом отраженные волны отображались на осциллографе. В 1960-1970-х гг. появилась возможность измерять внутренние структуры, такие как доли ЩЖ, узлы и кисты, в A-режиме. На рис. 7 (а) показано УЗ-изображение солидного узла щитовидной железы в A-режиме. Рассеянные эхосигналы по всему узлу. На рис. 7 (б) представлена картина кистозного узла. В начале сигнал отражается от проксимальной стенки кисты, при этом отражение от кистозного содержимого не выражено. Затем происходит отражение от задней стенки. На рис. 7 (в) показан сложный узел в A-режиме с солидным и кистозным компонентами. УЗИ в A-режиме позволяет измерить размер в одной плоскости, однако не предоставляет изображения структуры.

Для того чтобы получить 2D-изображение, в момент, когда датчик проходит над исследуемой структурой, выстраивается серия одномерных изображений в A-режиме. Раньше УЗ-изображения ЩЖ получали при медленном перемещении грансдьюсера по шее. При сканировании исследуемой структуры и сопоставлении изображений в A-режиме формируется 2D-изображение, которое называется изображением в В-режиме (рис. 8). Для того чтобы электронно симулировать перемещение передатчика, в настоящее время в датчиках используют линейно расположенные пьезоэлектрические кристаллы. Каждый кристалл последовательно посылает импульс звуковой волны в ткани и получает отражения.

Конечное УЗИ-изображение отображает поперечное сечение ткани, очерченное тонким плоским пучком звуковых волн, излучаемых датчиком. Разрешение — это способность различать 2 отдельных, близко расположенных объекта. Например, при разрешении 0,2 мм 2 близко расположенных объекта размером <0,2 мм будут визуализироваться как один объект. Объекты, размер которых меньше разрешения, не будут изображаться реалистично. Латеральное (азимутальное) разрешение — способность различать объекты в поперечном направлении, перпендикулярном оси УЗ-луча. Осевое разрешение — способность различать объекты вдоль УЗ-луча.

Осевое разрешение определяется пространственной протяженностью импульса и, соответственно, его частотой. Латеральное (азимутальное) разрешение зависит от фокусировки УЗ-луча.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Значение артефактов в ультразвуковом исследовании"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 8.6.2023