close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

IvanovGorelova

код для вставкиСкачать
МИНИСТРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»
В.П. Иванов, Н.А. Горелова
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ
Учебное пособие
(электронное)
Санкт-Петербург
2018
УДК: 34.7
В.П. Иванов
Информационные
технологии
в
ультразвуковой
диагностике:
электронное учебное пособие/ В.П. Иванов, Н.А. Горелова – СПб.: ГУАП,
2018. – с.108: ил.39
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
направлениям 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», 09.03.03
«Прикладная информатика (в здравоохранении)»
изучения
смежных
дисциплин,
и служит основой для
способствует
установлению
междисциплинарных связей и формирует навыки системного подхода к
постановке и решению прикладных задач. Знания, которые дает учебное
пособие, являются инструментом для решения профессиональных задач.
2
Содержание
Введение …………………………………………………………………...
5
1 Информационные технологии в медицине …………………………....
6
1.1 Понятие информационных технологий …...……………………...
6
1.2 Информационные технологии в здравоохранении ………………
8
1.2.1 Классификация медицинских информационных систем .....
8
1.2.2 Медицинские приборно-компьютерные системы ……......
10
1.2.3 Информационные технологии ультразвуковой
диагностике …………………………………………………. 18
2 Аппаратные технологии ультразвуковых приборнокомпьютерных систем …….…….…..........................................................
27
2.1 Физические основы ультразвуковой диагностики …...………….. 27
2.2 Получение ультразвука. Конструктивные особенности
преобразователей ……………………………………………………. 40
2.3 Ультразвуковые датчики ………………………………….............. 44
2.4 Ультразвуковые сканеры .…………………………………………. 55
2.5 Режимы работы ультразвуковых сканеров ………………………..
59
3 Медицинские технологии ультразвуковой диагностики……………….. 74
3.1 Методика ультразвуковых исследований ………………..............
74
3.2 Интерпретация изображений ……………………………................
77
3.3 Информационное описание симптоматики основных
патологических процессов ……………............................................
80
4 Обработка изображений ………………………………………………..
82
4.1 Технология вычисления объемов структур сложных объектов в
трехмерном режиме (VOCAL) ……………………………………..
83
4.2 Технология MicroPure ………………………………………………
84
Литература ………………………………………………………………........
86
Приложения
Приложение 1. Классификация датчиков по областям медицинского
применения ……………………………………………..
87
Приложение 2. Классификация ультразвуковых сканеров ……………. 93
3
Приложение 3. Информационное описание симптоматики основных
патологических процессов ……………………………………………….
4
97
Введение
Ультразвуковые исследования (УЗИ) в диагностике стали обычным
явлением. Широкому внедрению ультразвукового сканирования органов и
систем человека способствовали доступность, относительная простота
исследования. По точности, специфичности и чувствительности исследования в ряде случаев УЗИ не уступают компьютерной томографии. По
темпам развития и внедрения современных компьютерных технологий
методы ультразвуковой диагностики намного опережают другие методы
лучевой диагностики. Каждый год примерно 5-6 новых ультразвуковых
технологий внедряются в практическое применение.
Современное ультразвуковое исследование основано на использовании
широкополосных, высокочастотных датчиков с высокой плотностью элементов, которые обеспечивают высочайшее точечное разрешение диагностических изображений. С помощью допплеровских методик исследования, таких как энергетическое цветовое кодирование, трехмерная и панорамная реконструкция сосудов, возможна оценка сосудистой реакции в зоне обнаруженных изменений, и, соответственно, проведение обоснованного лечения.
Все это обуславливает повышенный интерес специалистов к ультразвуковому исследованию, как легко доступному и быстрому методу исследования.
Информационное обеспечение является важным фактором в работе
врачей диагностических отделений. В качестве элементов (подсистем) в
составе автоматизированного рабочего места врача (АРМ) выступают
медико-технологические системы, которые обеспечивают обработку и анализ
информации для поддержки принятия врачебных решений и информационной поддержки медицинских технологических процессов.
Учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров по
направлениям «Прикладная информатика (в здравоохранении)» и «Биотехнические системы и технологии».
5
1 Информационные технологии в медицине
1.1 Понятие информационных технологий
Технология в переводе с греческого означает искусство, мастерство,
умение, т. е. то, что имеет непосредственное отношение к процессам,
которые
представляют
собой
определенную
совокупность
действий,
направленных на достижение поставленной цели. Процесс определяется
выбранной стратегией и реализуется совокупностью различных средств и
методов.
Информация является одним из ценнейших ресурсов общества наряду с
традиционными материальными ресурсами: нефтью, газом, полезными ископаемыми и пр. Поэтому, процесс ее переработки – информационный процесс
по аналогии с процессами переработки материальных ресурсов называется
технологией (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 Информационные технологии как аналог технологии
переработки материальных ресурсов
Информационные
процессы
–
это
процессы
сбора,
обработки,
накопления, хранения, поиска и распространения информации.
Информационная технология (ИТ) – это процессы и методы получения,
обработки, передачи и отображения информации. Часто в понятие информационные технологии включают также технические и программные средства
реализации информационных процессов. Центральное место в современных
6
информационных технологиях занимает ЭВМ или сеть ЭВМ с соответствующим программным обеспечением (рис. 1.1).
В широком понимании ИТ охватывают все области создания, передачи,
хранения и восприятия информации и не только компьютерные технологии.
При этом информационные технологии часто ассоциируют именно с
компьютерными технологиями, и это не случайно: появление компьютеров
вывело информационные технологии на новый уровень. Информационные
технологии призваны, основываясь и рационально используя современные
достижения в области компьютерной техники и иных высоких технологий,
новейших средств коммуникации, программного обеспечения и практического опыта, решать задачи по эффективной организации информационного
процесса для снижения затрат времени, труда, энергии и материальных
ресурсов во всех сферах человеческой жизни и современного общества.
Целью внедрения информационных технологий является ускорение
процесса обработки информации, повышение его качества, и на этой основе –
повышение качества анализа и принятия управленческих решений.
Как и все технологии, информационные технологии находятся в
постоянном развитии и совершенствовании. Этому способствуют появление
новых технических средств, разработка новых концепций, методов организации данных, их передачи, хранения и обработки, форм взаимодействия
пользователей с техническими и другими компонентами информационновычислительных систем.
Информационная технология тесно связана с информационными
системами, которые являются для нее основной средой.
Информационная система представляет собой человеко-компьютерную
систему получения и обработки информации. Информационная система
является средой, составляющими элементами которой является компьютеры,
компьютерные сети, программные продукты, базы данных, знаний, люди,
различного рода технические и программные средства, связи и т.д. Основная
цель информационной системы - организация хранения и передачи
7
информации. Реализация функций информационной системы невозможна без
знания ориентированной на нее информационной технологии,
1.2 Информационные технологии в здравоохранении
Необходимость глобального внедрения информационных технологий в
медицине не вызывают сомнений, поскольку ИТ - это важный инструмент
для повышения качества и эффективности медицинской помощи. Однако их
использование требует тщательного подхода к подготовке медицинского персонала, организации структуры непосредственно медицинской помощи и
управлением ею. Можно предположить, что сокращает смертность, частоту
госпитализаций, улучшает качество жизни не само внедрение ИТ, а адекватные интерпретации результатов их использования и принятия решений (врачебных, организационных и др.) для достижения целей медицинской
помощи.
1.2.1 Классификация медицинских информационных систем
Ключевым звеном в информатизации здравоохранения является информационная система. Классификация медицинских информационных систем
основана на иерархическом принципе и соответствует многоуровневой
структуре здравоохранения. В рамках темы выпускной работы интерес
представляют медицинские информационные системы базового уровня,
основная цель которых – компьютерная поддержка работы врачей разных
специальностей; они позволяют повысить качество профилактической и
лабораторно-диагностической работы, особенно в условиях массового
обслуживания при дефиците времени квалифицированных специалистов.
При этом по решаемым задачам выделяют:
- информационно-справочные системы (предназначены для поиска и
выдачи медицинской информации по запросу пользователя),
8
- консультативно-диагностические системы (для диагностики патологических состояний, включая прогноз и выработку рекомендаций по
способам лечения, при заболеваниях различного профиля),
- приборно-компьютерные системы (для информационной поддержки
и/или автоматизации диагностического и лечебного процесса, осуществляемого
при
непосредственном
контакте
с
организмом
больного),
- автоматизированные рабочие места (АРМ) специалистов (для автоматизации всего технологического процесса врача соответствующей
специальности и обеспечивающие информационную поддержку при
принятии диагностических и тактических врачебных решений).
Согласно ГОСТ 34.003-90 «Автоматизированные системы. Термины и
определения», разработанному еще в СССР, «Автоматизированное рабочее
место – это программно-технический комплекс, предназначенный для автоматизации деятельности определенного вида». Автоматизированное рабочее
место медицинского работника есть комплекс, обеспечивающий ведение
базы данных, знаний, обработку информации и поддержку процессов
принятия решений в определенной предметной области.
АРМы медработников парамедицинских служб (лабораторных и различных диагностических отделений) являются медицинскими приборно-компьютерными системами. Такие системы включают в свой состав соответствующую специальности врача медицинскую аппаратуру (электрокардиографы,
реографы, спирометры, пневмотахографы, спироанализаторы, аппараты УЗИ,
рентгеологических, радиологических и других исследований, лабораторные
анализаторы и т.д.). Программное обеспечение таких АРМ обычно
предоставляет пользователю целый спектр особых возможностей.
9
К их числу относятся:
 управление настройкой и работой прибора;
 работа с результатами исследования;
 обработка биоэлектрического сигнала или изображения;
 анализ результатов, расчет необходимых параметров;
 формирование архивов (изображений, кривых) и передача данных;
 генерация заключений по диагностическим или лабораторным
исследованиям;
 ведение регистрационной и учетной документации.
В соответствии с этим, в качестве элементов (подсистем) в составе автоматизированного рабочего места врача выступают медико-технологические
системы, которые обеспечивают обработку и анализ информации для поддержки принятия врачебных решений и информационную поддержку медицинских технологических процессов. Среди медико-технологических систем
как составную часть выделяют автоматизированные консультативные системы для помощи в принятии решений на основе интеллектуального (экспертного) подхода. Интеллектуальный АРМ, содержимое базы знаний которого
отвечает всем принципам верификации в конкретной предметной области,
обеспечивает более высокое качество предлагаемых врачу-пользователю
решений.
1.2.2 Медицинские приборно-компьютерные системы
Важной разновидностью специализированных медицинских систем являются медицинские приборно-компьютерные системы (МПКС), в состав
которых включены упомянутые выше медико-технологические системы.
Использование компьютера в сочетании с измерительной и управляющей
техникой в медицинской практике позволило создать новые эффективные
средства для обеспечения автоматизированного сбора информации о состоянии больного, ее обработки в реальном масштабе времени и управление ее
состоянием.
10
МПКС относятся к медицинским информационным системам базового
уровня. Основное отличие систем этого класса – работа в условиях непосредственного контакта с объектом исследования и в реальном режиме времени.
Они представляют собой сложные программно-аппаратные комплексы. Для
работы МПКС помимо вычислительной техники, необходимы специальные
медицинские приборы, оборудование, телетехника, средства связи.
Типичными представителями МПКС являются медицинские системы
мониторинга за состоянием больных, например, при проведении сложных
операций;
системы
компьютерного
анализа
данных
томографии,
ультразвуковой диагностики, радиографии; системы автоматизированного
анализа данных микробиологических и вирусологических исследований,
анализа клеток и тканей человека. В МПКС можно выделить три основные
составляющие: медицинское, аппаратное и программное обеспечение. На
рис.1.2 показана МПКС для ультразвуковой диагностики.
Рисунок 1.2. Структура медицинской приборно-компьютерной системы
11
Под аппаратным обеспечением понимают способы реализации технической части системы, включающей средства получения медико-биологической информации, средства осуществления лечебных воздействий и средства вычислительной техники. К программному обеспечению
отно-
сят математические методы обработки медико-биологической информации,
алгоритмы и собственно программы, реализующие функционирование всей
системы.
Применительно к МПКС медицинское обеспечение включает в себя
способы реализации выбранного круга медицинских задач, решаемых в соответствии с возможностями аппаратной и программной частей системы. К
медицинскому обеспечению относятся наборы используемых методик, измеряемых физиологических параметров (ФП) и методов их измерения, определение способов и допустимых границ воздействия системы на пациента.
На рис.1.3 показан замкнутый процесс взаимодействия врача и пациента. В медицинском технологическом процессе на первом этапе управления
осуществляется сбор и обработка информации о пациенте и его состоянии с
помощью всех, имеющихся в арсенале современной медицины, методов.
Рисунок 1.3 Контур управления для задач клинической медицины
12
На втором – диагностируется состояние организма – это может быть
нозологическая диагностика, синдромальная диагностика, наконец, диагностика некоего состояния пациента, на которые необходимо реагировать.
На третьем – осуществляется выбор управляющих воздействий на
основе прогнозирования возможных результатов их применения: проводится
дополнительная диагностика для уточнения диагноза (этап 3.1); осуществляется выбор лечебных и профилактических мероприятий (этап 3.2), оценка
риска, связанного с их проведением, выбор тактических решений и т.д.
На четвертом этапе и пятом этапе осуществляется реализация решения.
После реализации выбранного комплекса управляющих воздействий
вновь начинается сбор информации о состоянии пациента и/или внешней
среды для контроля состояния и своевременного внесения корректив в
лечебно-диагностический процесс. Таким образом, медицинский технологический процесс является циклическим. Все этапы управления в ЛДП
осуществляются врачом – лицом, принимающим решения.
Задачи, которые решает врач любого лечебного отделения, однотипны и
сводятся к сбору информации, решению диагностических и лечебных
тактических вопросов, ведению медицинской документации. Несколько
особняком стоят задачи, решаемые врачами диагностических отделений.
Диагностическое заключение врача представляет собой результат
логических
умозаключений,
базирующихся
на
научных
знаниях,
субъективном опыте, полученном в процессе работы, и здравом смысле.
Принципы математической статистики не всегда эффективны при анализе
клинических данных, в особенности при редких заболеваниях, когда имеются
малые выборки. Поэтому наряду с обработкой данных, широкое применение
нашла
и
«обработка»
знаний.
Под
знаниями
подразумеваются
закономерности предметной области (принципы, связи, законы), полученные
в результате теоретических исследований, практической деятельности и
профессионального опыта, позволяющие специалистам ставить и решать
13
задачи в этой области. Эти знания могут быть отражены в литературе, и
системы, построенные на основе их анализа, называют интеллектуальными.
В другом варианте, при извлечении этих знаний в процессе собеседований с
высококвалифицированными специалистами (экспертами в конкретной
области медицины), такие системы получили название экспертных.
Для того чтобы знания можно было использовать при построении систем, их формализуют. Под формализацией понимается однозначное (иногда
многозначное) описание клинических проявлений заболеваний (включающее
дифференциально значимые признаки и их сочетания для отдельных или
групп заболеваний), профессиональных навыков, технологий, методов принятия решений, на основе которого возможно последующее моделирование
деятельности врача и использование знаний в автоматизированных системах,
в данном случае экспертных (рис.1.4).
Рисунок 1.4. Структура экспертной системы
В экспертных системах реализуются четыре базовых функции:

приобретение (извлечение) знаний;

представление знаний;

управление процессом поиска решения;

разъяснение принятого решения.
14
Приобретение знаний – это восприятие опыта решения проблемы от
источника знаний (эксперт, литература, ЭВМ) и преобразование его в вид,
который
позволяет
использовать
эти
знания
в
экспертной
или
интеллектуальной системе.
Для извлечения знаний необходимы усилия не только эксперта,
знающего предметную область, но и когнитолога или инженера по знаниям
(knowledge engineer) или аналитика, владеющего методами извлечения,
структуризации и организации знаний предметной области. Извлечение
знаний может происходить в процессе собеседований между инженером по
знаниям и экспертом в конкретной проблемной области или в результате
взаимодействия эксперта со специальной программой, замещающей в этом
случае когнитолога.
Представление знаний – описание приобретенных знаний с помощью
машинного языка (языка представления знаний), включая проверку на
корректность и полноту. Существует несколько языков представления
знаний, самыми распространенными из них в настоящее время являются
продукционные модели, фреймы, семантические сети. База знаний является
ядром экспертной или интеллектуальной системы. Это совокупность знаний
предметной области, записанная на машинный носитель в форме, понятной
пользователю и эксперту.
При составлении базы знаний удобно руководствоваться структурой
базы знаний – так называемой «системы управления поведением» [5], поскольку этот программный продукт чаще всего используется при построении
экспертных систем выбора тактики диагностики и лечения (рис.1.5).
«Система управления поведением» включает в свой состав словарь
используемых слов и список типов фреймов.
.
15
Рисунок 1.5 Структура базы знаний системы управления поведением
Каждый тип фреймов должен содержать:
 Уникальное название типа фреймов. Например, «события», «задания»,
«объекты», «команды», «местоположения» и т.д. Эксперт, составляющий базу знаний, вправе выбирать любое название типа фреймов.
 Признак командных фреймов. Данный признак отличает фреймы,
обозначающие
команды,
от
фреймов,
обозначающих
описание
предметной области.
 Приоритет задачи (в случае командного фрейма). Этот признак
определяет приоритет, с которым алгоритмическое следствие фреймов
попадает в очередь задач (см. далее). С помощью данного признака
можно разделить командные фреймы на фреймы-задания, которые
встают в конец очереди, и фреймы-команды, которые встают в начало
очереди. Кроме того, эксперт, составляющий базу знаний, имеет
возможность
организовать
собственную
16
систему
приоритетов.
Последнее значение, которое вернул один из фреймов данного типа. Это
актуально для раскрытия местоимений.
 Список фреймов данного типа
Каждый фрейм из списка фреймов состоит из двух основных частей:
словесная предпосылка и алгоритмическое следствие. Кроме этого, для
удобства
редактирования,
каждый
фрейм
содержит
свое
название,
совпадающее с текстовым представлением словесной предпосылки.
Словесная
предпосылка
определяет
последовательность
слов,
активизирующих данный фрейм. Она включает в себя список слотов.
Каждый слот может являться:

Одиночным словом. В этом случае слот хранит указатель на слово в
словаре и атрибуты слота. Атрибуты слота в этом случае могут
включать признак "умалчиваемое слово".

Словом и списком синонимов. В этом случае слот хранит список
указателей на слова в словаре и атрибуты слота. Атрибуты слота в этом
случае могут включать признак "умалчиваемое слово".

Параметром (ссылкой на элемент предметной области). В этом случае
слот хранит название параметра, тип параметра (т.е. тип фреймов),
значение по умолчанию и атрибуты слота. Значение по умолчанию
актуально в случае выставленного атрибута «умалчиваемое слово». В
этом случае, параметр принимает текстовое значение, указанное по
умолчанию. Кроме этого атрибуты слота могут включать признак
«обучаемый параметр». В этом случае на месте данного параметра в
запросе может находиться любое (в том числе неизвестное) слово.
Фрейм активизируется в том случае, если в строку запроса входят все
слова указанного фрейма в указанной последовательности. При этом запрос
допускает наличие других слов вперемешку с искомыми.
17
Чтобы соответствовать указанным условиям, необходимо составить
четкую классификацию и терминологическое описание технологий УЗ
диагностики в соответствии с медицинскими стандартами.
Подавляющее большинство публикаций по использованию ИТ в медицине посвящено компьютеризации медицинских учреждений, базам данных
протоколов обследований, видеоконференциям, телемедицине и т.п. Вопросы
же использования ИТ в диагностических устройствах освещены мало.
1.2.3 Информационные технологии в ультразвуковой диагностике
1.2.3.1 Ультразвук: увидеть невидимое
В 1880 году французские физики Пьер и Поль Кюри открыли, что при
сжатии и растяжении кристалла кварца на его гранях, перпендикулярных
направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было
названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили
анизотропией кристалла кварца – разные физические свойства вдоль разных
граней.
Во время первой мировой войны французский исследователь Поль
Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460
км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды.
Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами.
Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил,
что кристалл колеблется в такт изменению напряжения. Чтобы усилить эти
колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами не одну,
а несколько пластинок и добился возникновения резонанса – резкого
увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили
18
создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились
излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики,
которые могут быть любой формы и размеров. Колебания излучателя
передаются среде (воздуху, воде, твердому телу) и в ней возникает
ультразвуковая волна.
Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что при перемагничивании электрическим током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то
увеличиваются в такт изменениям направления тока. При этом в окружающей среде возбуждаются волны, частота которых зависит от колебаний
стержня. Это явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» –
«сжатие»).
Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных
и
медицинских
задач.
Например,
ультразвуковые
дефектоско-
пы, объединенные с компьютером, помогают контролировать качество сварных швов, бетонных опор и плит. Ультразвуковую аппаратуру также с успехом применяют для резки и сверления металлов, стекла и других материалов.
Ультразвук можно использовать для измельчения вещества – например, для
приготовления тонко размолотого цемента или асбеста, для получения
однородных эмульсий, для очистки жидкости или газа от примесей. С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые
жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты.
Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный,
чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как
можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в
аэрозольных баллончиках.
1.2.3.2 Ультразвук в биологии и медицине
Около полвека назад ультразвук стали использовать в ветеринарии для
определения толщины подкожного жира у свиней. Этот прозаический метод
19
подтолкнул исследователей к разработке новых излучателей и приемников
ультразвука и дал возможность «рассмотреть» внутренние органы человека.
Это гораздо более простая процедура, чем хирургическая операция, кроме
того, она дает возможность увидеть органы человека в работе. Оказалось
возможным даже изучать движение крови в сосудах, определять состояние
костной ткани; и даже внутренних перегородок сердца – так, выпадение
митрального клапана сердца было впервые обнаружено с помощью
ультразвукового исследования.
В настоящее время ультразвуковая диагностика получила широкое
распространение. В основном при распознавании патологических изменений
органов и тканей используют ультразвук частотой от 500 кГц до 15 МГц.
Звуковые волны такой частоты обладают способностью проходить через
ткани организма, отражаясь от всех поверхностей, лежащих на границе
тканей разного состава и плотности.
По физической сути можно выделить две разновидности ультразвукового исследования: ультразвуковая локация и ультразвуковое просвечивание. При ультразвуковой локации регистрируются импульсы ультразвука,
отраженные от границы сред, имеющих различные акустические свойства.
Перемещение датчика позволяет выявить размеры, форму и расположение
исследуемого объекта. Ультразвуковое просвечивание основано на различном поглощении ультразвука разными тканями организма. При исследовании
внутреннего органа в него направляют ультразвуковую волну определенной
интенсивности и регистрируют интенсивность прошедшего сигнала датчиком, находящимся по другую сторону органа. По степени изменения
интенсивности воспроизводится картина внутреннего строения сканируемого
органа. Принятый сигнал обрабатывается электронным устройством, результат выдается в виде кривой (эхограмма) или двухмерного изображения
(сонограмма – ультразвуковая сканограмма).
В первом случае, т.е. при одномерном (так называемом А-методе),
отраженный сигнал образует на экране осциллографа фигуру в виде пика на
20
прямой линии. Высота пика соответствует акустической плотности среды, а
расстояние между пиками – глубине расположения границы раздела между
средами. А-метод широко применяется для распознавания болезней
головного мозга (эхоэнцефалография), органов зрения (эхоофтальмография),
сердца (эхокардиография).
Двухмерный (так называемый В-метод), есть способ получения двухмерного изображения посредством сканирования – перемещения ультразвукового пучка по поверхности тела во время исследования. Сканирование
обеспечивает регистрацию сигналов последовательно от разных точек
объекта; изображение возникает на экране телевизионного монитора и может
быть зафиксировано на фотобумаге или пленке; его можно подвергать
математической обработке, измеряя, в частности, величину разных элементов
объекта. Яркость каждой точки на экране находится в прямой зависимости от
интенсивности эхо-сигнала. Изображение на телевизионном экране представлено,
обычно,
16-ю
оттенками
серого
цвета
или
цветной
палит-
рой, отражающими акустическую структуру тканей. На аппаратах с серой
шкалой конкременты (т.е. твердые, похожие на гальку массы, чаще всего
образующиеся в желчном пузыре или в мочевыводящих путях) выглядят
ярко-белыми, а образования, содержащие жидкость, например, кисты, черными.
Современная
аппаратура
позволяет
производить
ультразвуковое
сканирование с большой частотой кадров в 1 секунду, что обеспечивает
прямое наблюдение за движениями органов (исследование в реальном
времени). По таким сканограммам можно судить о расположении, форме и
величине исследуемого органа, однородности или неоднородности его тканей. Это дает возможность выявлять диффузное уплотнение органа (например, при циррозе печени), находить в нем полости с жидкостью, а также
опухолевые образования и плотные очаги. Так, если рентген обнаруживает
опухоль, когда плотность её отличается от плотности здоровой ткани в 1,5 –
2 раза и она часто бывает уже неоперабельной, то ультразвук «чувствует» её
21
значительно раньше. На эхограммах сердца вырисовываются его стенки,
полости, клапаны, на сонограммах живота – структура печени, желчного пузыря, поджелудочной железы, селезенки, почек и т.д. По эхограммам можно
распознать асцит, водянку желчного пузыря, желчные камни, панкреатит и
опухоль поджелудочной железы, различные заболевания почек, опухоли, гематомы, кисты и абсцессы печени и др. С помощью ультразвукового
исследования выявляют поражения щитовидной и слюнных желёз, небольшие количества жидкости в плевральной полости. Широкое распространение
получило ультразвуковое сканирование органов малого таза для распознавания кист и опухолей яичников, опухолей мочевого пузыря, прямой кишки
и предстательной железы, объема остаточной мочи в мочевом пузыре. По
эхограмме определяют срок беременности, положение и массу плода, аномалии его развития, многоплодие, исключают внематочную беременность, а начиная с 26 недель – устанавливают пол будущего ребенка. Для
получения высококачественных «срезов» аорты и её крупных ветвей, нижней
полой и воротной вен, артерий печени, желудка и почек с помощью ультразвуковой диагностики, не требуется, как при ангиографии, вводить в сосуды
рентгеноконтрастное вещество и можно многократно повторять исследование, не опасаясь нанести вред больному. Изучая положение, форму, калибр и
очертания кровеносных сосудов, можно выявлять их патологические
изменения.
В последнее время особенно бурно развивается Доплер-метод, основанный на использовании как непрерывного, так и импульсного ультразвука. Он
позволяет регистрировать изменения тока крови даже в небольших кровеносных сосудах, поэтому доплерография применяется и в акушерстве – с её
помощью оценивают поток крови через пуповину, работу сердца и сосудов
ребенка. Этот подход оказался ценным и для онкологии – ведь развивающаяся опухоль «обрастает» кровеносными сосудами, внутри неё происходят небольшие кровоизлияния, образуются участки омертвевшей ткани.
22
Всё это вызывает изменения кровотока в сосудах и легко может быть
обнаружено с помощью Доплер-метода.
Благодаря ультразвуковой технике стало возможным увидеть и то, что
происходит внутри костной ткани. Скорость распространения ультразвука в
костях дает информацию об их строении, содержании органических и
минеральных веществ. Любые патологические изменения, старение, развитие
опухолей немедленно отражаются на акустических свойствах кости. Например, при появлении опухолей внутри кости, скорость ультразвука увеличивается на 9 – 10%. Эффективность лечения таких опухолей с помощью
гормонов, химиотерапии или облучения можно параллельно контролировать
ультразвуковыми методами. Деминерализация костей или патологические
изменения скелета могут быть выявлены на ранней стадии, когда ещё не
поздно начинать лечение и диету, замедляющую развитие болезни.
Ультразвуковые методы исследования оказались полезны и для анализа
человеческой крови. Дело в том, что мембраны красных кровяных клеток –
эритроцитов – становятся более «хрупкими» при различных заболеваниях,
инфекциях, приеме алкоголя. Этот факт давно используется в медицине.
Раньше кровь смешивали в пробирке с антикоагулянтом, интенсивно
встряхивая. Из разрушающихся клеток освобождался гемоглобин, который
окрашивал плазму крови, обычно бесцветную, в красный цвет. По
интенсивности этой окраски и можно судить о скорости и степени
разрушения эритроцитов.
Оказалось, что гораздо проще разрушать эритроциты ультразвуком
низкой
интенсивности.
В
результате
получаются
так
называемые
эритрограммы. Этот метод дает более точную информацию о прочности
мембран. В сочетании с компьютерным анализом он позволяет не только
улучшить диагностику заболеваний крови, например, лейкоза, но и судить о
других патологиях, не имеющих четкой клинической картины. Например, на
начальных стадиях цирроз печени обычно не дает о себе знать, но
токсические продукты, появляющиеся в крови из-за неправильной работы
23
печени,
разрушают
мембраны
эритроцитов,
и
эритрограмма
резко
изменяется. У онкологических пациентов прочность мембраны эритроцитов,
наоборот, сильно увеличивается.
В последнее время в диагностике широко применяется и такой метод:
каплю крови помещают в кювету, дном которой служит ультразвуковой
излучатель. При включении ультразвука с частотой 500 кГц и определенной
интенсивностью капля начинает светиться – возникает сонолюминесценция.
Свечение это постепенно гаснет, и по скорости его затухания можно судить о
состоянии организма, наличии онкологических заболеваниях. Сонолюминесценция сильно повышается при беременности, поскольку меняется белковый
состав крови.
Разработаны ультразвуковые датчики, которые предназначены для
введения в организм. Например, с помощью такого датчика, введенного
через прямую кишку, удается выявлять опухоли кишечника и устанавливать
их размеры. Созданы специальные датчики для ультразвукового исследования непосредственно на операционном столе во время оперативного
вмешательства, позволяющие определить число и местонахождение камней в
почках и в желчных протоках. В клиническую практику внедряется методика
пункций внутренних органов и патологических образований (опухолей,
абсцессов и др.) под контролем ультразвукового сканирования.
Для ультразвукового исследования чаще всего не требуется специальной
подготовки больных. Однако при необходимости очень тщательного
изучения органов брюшной полости, особенно поджелудочной железы,
прибегают к предварительному очищению кишечника с помощью клизм.
Больной должен явиться в кабинет натощак. Исследования органов таза
рекомендуется проводить при наполненном мочевом пузыре. Больного могут
исследовать в разном положении тела: лёжа на спине, животе, на боку, а
также – стоя и сидя. Кожу над исследуемой областью смазывают хорошо
проводящим ультразвук вазелиновым маслом или специальным гелем.
Используют различные положения ручного зонда (преобразователя). Меняя
24
положение преобразователя, врач стремится получить возможно более
полную информацию о состоянии органов.
Современная ультразвуковая аппаратура позволила расширить границы
знаний о микромире. С её помощью можно получить контрастные и
объемные изображения клеток и тонких срезов тканей. Существует
специальный акустический микроскоп, в котором используются ультразвуковые волны высокой частоты. Таким микроскопом улавливаются самые
тончайшие изменения «архитектуры» клеток и дают информацию о событиях
внутри организма.
Создание медико-технологической системы, способной своевременно и
достоверно установить диагноз больного и выбрать эффективную тактику
лечения, является актуальной задачей информатизации.
Задачу диагностики в области медицины можно поставить как нахождение зависимости между симптомами (входными данными) и диагнозом
(выходными данными). Для реализации эффективной организационно-технической системы диагностики необходимо использовать методы искусственного интеллекта. Целесообразность такого подхода подтверждает анализ
данных, используемых при медицинской диагностике, который показывает,
что они обладают целым рядом особенностей, таких как качественный характер информации, наличие пропусков данных; большое число переменных
при относительно небольшом числе наблюдений. Интерпретация медицинских данных, полученных в результате диагностики и лечения, становится
одним из серьезных направлений задач медицинской диагностики.
В ультразвуковой диагностике важно представлять, что можно и чего
нельзя увидеть на УЗИ. УЗИ позволяет увидеть контуры исследуемых
органов, оценить их форму и размеры. Следовательно, можно выявить
анатомические
дефекты,
аномалии
развития
внутренних
органов.
Ультразвуковое исследование позволяет выявить уплотнения различного
характера (что часто является признаком того или иного заболевания), а
также инородные образования: камни в желчном пузыре и в почках, кисты,
25
опухоли. Методами УЗД невозможно обследовать полые органы (легкие,
трахею, кишечник, желудок, пищевод), так как ультразвук практически не
отражается от границы ткань-воздух. УЗД невозможно провести «через
кость», поэтому, скажем, ультразвуковое обследование головного мозга
возможно только у детей раннего возраста, через открытый родничок.
Самая известная область применения УЗИ - это обследование женщин
во время беременности. Часто методами ультразвуковой диагностики обследуют органы брюшной полости (печень, желчный пузырь, поджелудочную
железу, селезенку), мочеполовую систему (почки, мочевой пузырь, надпочечники, матку, яичники, простату), щитовидную железу, тазобедренные
суставы, молочные железы.
Ультразвуковое обследование не всегда позволяет поставить точный
диагноз. К примеру, по одному только УЗИ невозможно определить, какой
характер
имеет
выявленная
опухоль
доброкачественный
-
или
злокачественный. Даже при использовании самой современной аппаратуры
серьезные
помехи, затрудняющие, а
то
и
делающие
невозможной
интерпретацию результатов обследования, могут возникать из-за избытка
газов в желудочно-кишечном тракте или из-за высокой степени ожирения
обследуемого.
26
2. Аппаратные технологии ультразвуковых
приборно-компьютерных систем
2.1
Физические основы ультразвуковой диагностики
Ультразвуковой медицинский диагностический прибор (УЗМДП) – это
фактически медицинский локатор, работающий в ультразвуковом диапазоне
длин волн (обычно 1,5 – 10 МГц).
Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющиеся
колебательные движения частиц упругой среды. В результате смещения
частиц в среде образуются участки повышенного и пониженного давления с
частотой повторения более 16 КГц.
В диагностической аппаратуре используется лишь относительно
небольшой участок ультразвукового диапазона. Это связано с тем, что
колебания высокой частоты не могут глубоко проникать в ткани, а низкие
частоты не обеспечивают достаточного качества изображения из-за
невысокого разрешения. Самые высокие рабочие частоты имеют датчики
офтальмологических аппаратов, низкие - ультразвуковые остеометры
(диагностика костной ткани - остеопороза) и синускопы. Синускоп —
эндоскопический прибор, применяемый в отоларингологии для оценки
состояния лобной и гайморовой пазух.
Основные
свойства
ультразвука,
благодаря
которым
появилась
возможность использовать его в диагностике:
• распространение в средах организма,
• фокусирование,
• отражение, в том числе, от границ между средами.
В тканях тела распространяются только продольные волны, которые
представляют собой возвратно-поступательные перемещения частиц среды.
Так как продольная волна представляет собой чередующиеся зоны
разрежения и сжатия вещества среды, частота колебаний является числом
сжатий и разрежений в единицу времени (см. рисунок 2.1).
27
Рисунок 2.1 Визуальное и графическое представление изменений
давления и плотности в ультразвуковой волне
Период колебаний - это время, за которое происходит одно сжатие и
одно разрежение, т.е. величина, обратная частоте колебаний. T 
1
, где Т —
f
период колебаний непрерывного синусоидального сигнала в секундах; f —
частота колебаний, Гц. Длина волны λ характеризуется расстоянием между
соседними участками с одинаковой степенью разрежения или сжатия. Это
расстояние проходит волна за период одного колебания. А – амплитуда
волны.
Распространение
ультразвуковых
волн
определяется
скоростью,
частотой и энергией излучения. Волна переносит энергию, но не материю. В
отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для
распространения звука необходима среда — он не может распространяться в
вакууме.
Скорость ультразвука C зависит от плотности среды ρ и адиабатического
объемного модуля упругости K. Соотношения между этими параметрами
описываются уравнением:
C
K
.

(2.1)
Объемный модуль упругости (K) характеризует способность вещества
сопротивляться всестороннему сжатию. Единицей измерения объемного
модуля упругости является Паскаль (Па).
28
Адиабатный процесс есть процесс, при котором физическая система не
получает теплоты извне и не отдает ее, т.е. находится в равновесном
состоянии.
В биологических тканях (за исключением костной и легочной ткани) УЗ
волны распространяются так же, как и в жидкостях, со средней скоростью
1540 м/с. В таблице 2.1 представлены скорости распространения ультразвука
в различных средах [1].
Таблица 2.1
Скорости распространения УЗ в организме
Материал
Скорость УЗ (м/с)
Мягкие ткани
(в среднем)
1540
Головной мозг
1541
Жир
1450
Печень
1549
Почка
1561
Мышцы
1585
Кости черепа
4080
В УЗ диагностических системах непрерывные синусоидальные колебания используются только в специальных режимах работы. В большинстве же
случаев применяется импульсное колебание или импульсный акустический сигнал. Типичный вид импульсного сигнала изображен на рис. 2.2.
На рисунке обозначены:
 и – длительность импульса, Тп – период
повторения.
29
Рисунок 2.2 – Импульсный режим излучения
На рис. 2.3 показано, как импульс, сформированный излучателем,
распространяется вглубь биологических тканей вдоль оси х.
Рисунок 2.3 – Процесс распространения УЗ импульса
У каждого импульсного акустического сигнала можно выделить
высокочастотное заполнение, а также нарисовать огибающую (пунктирная
кривая на рис.2.2, 2.3), которая называется так потому, что огибает
максимальные и минимальные значения высокочастотного заполнения. В
30
идеале она прямоугольна (рис.2.2), но при распространении ее форма
искажается, как это показано на рис.2.3.
Если акустический импульс излучен в момент t = 0 , то на глубине х1 он
появится в момент t 
x1
(где С - скорость звука в биологических тканях). На
C
глубине х2 импульс может быть обнаружен в момент t 
x2
и т.д. С глубиной
C
величина импульса уменьшается вследствие затухания сигнала в тканях.
Необходимо учитывать, что распространение ультразвуковых волн в
среде связано с передачей энергии (интенсивность волны, I), которая
изменяется в зависимости от частоты ультразвука (f) и акустического
импеданса среды (Z), то есть волнового сопротивления,
определяемого
свойствами среды:
Z  K
(2.2)
В УЗ диагностике используются продольные УЗ волны, т.е. упругие
колебания, направление распространения которых совпадает с направлением
смещения частиц среды распространения. Колебания рабочей поверхности
УЗ датчика, контактирующей с телом пациента, передаются биологическим
тканям, и в результате частицы среды также начинают колебаться
относительно своего равновесного состояния, вызывая смещение соседних
частиц, далее расположенных от датчика. Таким образом, колебания (или
волны) распространяются вглубь тканей.
При прохождении в среде интенсивность ультразвука уменьшается за
счет:
• затухания (аттенюации)
– снижения амплитуды волны по экспо-
ненциальному закону в зависимости от пройденного расстояния; затухание
ультразвука зависит от частоты волны и акустического импеданса, причем,
оно увеличивается с повышением частоты волны и/или акустического
импеданса и носит линейный характер.
31
• поглощения – преобразования энергии волны в тепло; поглощение
ультразвука увеличивается при усложнении молекулярной организации
простых растворов; например, высокое содержание протеина (особенно
структурного протеина типа коллагена) и более низкое содержание воды в
биологических тканях приводят к большему поглощению ультразвука.
• рассеяния – геометрического (отражение и преломление), стохастического (дифракция) и рэлеевского пространственного распределения
энергии волны.
Рассеяние зависит от частоты волны, однородности структуры среды и
угла падения УЗ волны. Наименьшие потери интенсивности ультразвука
будут при его прохождении в гомогенной среде, характеризующейся
одинаковой плотностью, структурой и температурой. Структуры, в которых
происходит полное затухание ультразвука, формируют позади себя
«акустическую тень».
Для практических целей, учитывая особенности распространения
ультразвука в средах, стремятся фокусировать ультразвук – создать
сравнительно узкий и достаточно протяженный параллельный пучок
излучения. Это позволяет сконцентрировать мощность излучения до 84% по
оси пучка и снизить потери энергии за счет рассеяния. Длительность
параллельного хода пучка обратно пропорциональна частоте ультразвука.
Кроме
того,
фокусировка
повышает
разрешающую
способность
диагностической системы.
Разрешение ультразвуковых систем принято рассматривать раздельно в
продольном и поперечном направлениях:
• продольное (аксиальное) разрешение – половина длины волны,
• поперечное (латеральное) разрешение – полная ширина пучка.
Например, для ультразвуковой волны с частотой 2 МГц продольное
разрешение будет составлять около 1 мм. Поперечное разрешение может
варьировать и зависеть, главным образом, от ультразвукового датчика и
32
удаления луча от фокуса. Боковая разрешающая способность равна диаметру
ультразвукового
луча.
Осевая
разрешающая
способность
∆r
-
это
минимальное расстояние r между двумя объектами, расположенными вдоль
направления распространения энергии, которые представляются на экране
монитора в виде раздельных структур (рис. 2.4). Осевая разрешающая
способность зависит от пространственной протяженности ультразвукового
импульса — чем короче импульс τи, тем лучше разрешение. Как правило,
осевая разрешающая способность лучше боковой.
Рисунок 2.4 - Осевая разрешающая способность: чем короче
ультразвуковой импульс, тем она лучше
Разрешающая способность является одним из основных показателей
диагностических
возможностей
ультразвукового
прибора.
Аксиальное
разрешение, как уже сказано, зависит от длины волны: если расстояние
между
двумя
точками
больше
длины
волны,
то
на
экране
они
воспринимаются как отдельные объекты, если меньше, то их изображения
сливаются. Латеральное разрешение обусловлено шириной ультразвукового
луча: если она превышает расстояние между двумя точками, то их изображение на экране воспринимается слитно, а если меньше, то раздельно. Так, в
приборе с ультразвуковым преобразователем 3,25 МГц аксиальная разрешающая способность в зоне фокуса составляет 2 мм, латеральная – 5 мм.
Важно
знать
также
величину
проникающей
способности
ультразвуковой волны. Высокочастотные преобразователи (5 МГц и выше),
33
обладающие значительной разрешающей способностью, позволяют получать
высококачественное изображение объектов, расположенных на относительно
небольшой глубине, так как величина проникновения генерируемого ими
звукового потока невелика. Для исследования структур, располагающихся
глубоко, следует отдавать предпочтение низкочастотным преобразователям с
высоким проникновением (2,5-3,5 МГц). При этом надо помнить, что между
разрешающей
и
проникающей
способностью
имеется
обратно
пропорциональная зависимость.
Чем выше частота ультразвуковой волны, тем меньше глубина
проникновения в ткань и лучше разрешение близко расположенных
объектов. Низкие частоты позволяют увеличить глубину проникновения
волн, однако при этом снижается разрешающая способность. Глубина
проникновения в ткани ультразвука частотой 800 – 1000 кГц оценивается в 5
– 6 см, а частотой 2400 кГц в три раза меньше. В небольших дозах ультразвук
может проникнуть на глубину до 20 см.
Отражение ультразвука происходит от границы сред с различным
акустическим импедансом Z – так называемый эффект ”раздела сред”
(interface). Ультразвук, достигший раздела сред, может полностью или
частично отразиться и пройти через него. Интенсивность отраженного
ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зависит от исходной
интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Отношение
интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны
называется
коэффициентом
отражения.
Отношение
интенсивности
ультразвуковой волны, прошедшей через границу сред, к интенсивности
падающей волны называется коэффициентом проведения ультразвука.
34
Рисунок 2.5 - Отражение, преломление ультразвука
Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одинаковое
акустическое сопротивление — отражения ультразвука не будет. С другой
стороны, при большой разнице акустических сопротивлений интенсивность
отражения стремится к 100%. Примером этого служит граница воздух/мягкие
ткани. На границе этих сред происходит практически полное отражение
ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека,
используют
соединительные
среды
(гель).
При
наклонном
падении
ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и угол
преломления (рис.2.5).
Угол падения равен углу отражения.
Преломление
—
это
изменение
направления
распространения
ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными
скоростями проведения ультразвука. Угол преломления  можно найти из
следующего соотношения:
sin  
v2
sin  ,
v1
35
где:  - угол падения,
среде,
v2
v1
- скорость распространения ультразвука в первой
- скорость распространения ультразвука во второй среде.
Как следует из приведённой выше формулы, угол преломления тем
больше отличается от угла падения, чем больше разность скоростей
распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается,
если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол
падения равен 0.
Говоря об отражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда
длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности,
имеет место зеркальное отражение.
В случае если длина волны сопоставима с неровностями отражающей
поверхности или имеется неоднородность самой среды, происходит
рассеивание ультразвука. При обратном рассеивании ультразвук отражается
в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных
сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением
частоты (т.е. уменьшением длины волны) ультразвука.
Рисунок 2.6 - Обратное рассеивание
Рассеивание относительно мало зависит от направления падающего луча
и,
следовательно,
позволяет
лучше
визуализировать
отражающие
поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Паренхима есть
совокупность
клеточных
элементов
36
органа,
осуществляющих
его
специфическую функцию. В отличие от стромы, которая образуется из
соединительной ткани, паренхима может быть представлена разными видами
ткани: кроветворной тканью (например, селезенка), эпителием (железы),
нервными клетками (нервные узлы) и др.
Для того чтобы отраженный сигнал был правильно расположен на
экране, необходимо знать не только направление излученного сигнала, но и
расстояние до отражателя r, которое можно найти из соотношения:
r 
1
Ct ,
2
где: C - скорость ультразвука в среде,
t - время между излучением и
приёмом отражённого сигнала (рис. 2.7).
Рисунок 2.7 - Измерение расстояния с помощью ультразвука
Произведение скорости на время делится пополам, так как ультразвук
проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад).
Степень отражения напрямую зависит от разницы между акустическими импедансами соседних сред. Это объясняет, почему ультразвук сильно
затухает в легких и плохо проникает через кости.
Наличие областей с очень высокой или низкой плотностью по ходу
ультразвукового пучка мешает визуализации структур, расположенных за
ними. Эти условия определяют понятие «ультразвукового окна» и являются
одним из основных ограничений в ультразвуковом исследовании.
Кроме
разности акустического импеданса сред, доля отраженного ультразвука
37
зависит от угла падения УЗ луча и соотношения размеров объекта и длины
УЗ волны. Структуры, в которых происходит значительное отражение
ультразвука формируют позади себя «эффект дистального усиления».
При отражении ультразвукового сигнала от
подвижного объекта
наблюдается эффект Доплера – частотный сдвиг эхосигнала δf, зависящий от
скорости v и направления движущегося объекта (угол θ). Его изменение от
указанных параметров можно выразить формулой:
δf = f – f0 = (±2 f0· v· cosθ) / С .
(2.3)
Рисунок 2.8 - Угол между падающим лучом и направлением тока крови
По частотному сдвигу можно определить скорость v. Необходимо
отметить, что при изменении частоты f0 в диапазоне 1-10 МГц и величины
v cosθ в пределах 0-1 м/с, δf находится в диапазоне 0 -13 КГц, т.е. в диапазоне
слышимых частот. Данные условия позволяют проводить не только
визуальную, но и аускультативную оценку.
Ввиду того, что ультразвуковые импульсы, направляемые в ткани,
содержат большое количество частот помимо основной несущей f0, в
основном из-за того, что скорости отдельных участков потока неодинаковы,
отраженный импульс состоит из большого количества синусоидальных
составляющих различных частот (рис. 2.9).
38
а)
б)
Рисунок 2.9 – Спектры синусоидального сигнала а)
и импульсного сигнала б)
Простое гармоническое колебание характеризуется всего одной частотой f0, т.е. его спектр представляет собой одну линию. Импульсный сигнал
можно представить как совокупность многих гармонических колебаний
(гармоник) с различными частотами. На рис. 2.9 показан импульсный сигнал,
который представлен как сумма очень большого числа гармонических
составляющих с разными частотами. На рисунке показана только часть этих
гармонических колебаний.
Изображая амплитуды этих гармонических составляющих в виде
вертикальных отрезков оси частот f, получим спектр частот G(f). Форма
спектра отображает относительные уровни каждой из гармонических
составляющих. По известному виду спектра G(f) можно совершенно точно
определить, как выглядит сигнал. Для этого необходимо знать еще и фазы
каждой из составляющих. И, наоборот, по виду сигнала на временной оси
можно однозначно определить, как выглядит его спектр. Вид сигнала связан
с
формой
спектра
формульной
зависимостью,
39
которая
называется
преобразованием Фурье. Центральная частота (при симметричном спектре
она находится посредине спектра) является основной частотой спектра.
Обычно именно она указывается в качестве характерной частоты каждого УЗ
датчика, используемого в системе.
Короткие импульсы имеют более широкий спектр частот, чем длинные.
Так как ширина спектра сигнала называется полосой частот сигнала, то
короткие импульсы называют широкополосными сигналами, а длинные
импульсы узкополосными сигналами. В зависимости от выбранного режима
работы УЗ диагностической системы используется тот или иной вид
акустических сигналов. Так, для получения двухмерных акустических
изображений применяются широкополосные сигналы, а для допплеровских
исследований - узкополосные.
2.2
Получение ультразвука. Конструктивные особенности
преобразователей
Для получения ультразвука используются специальные преобразователи трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию
ультразвука. Основой генератора ультразвука является пьезокристалл. В
ультразвуковых
приборах
чаще
всего
применяются
искусственные
пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. Получение
ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть
эффекта состоит в том, что если к пьезоэлектрикам
приложить
электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рис. 2.10).
На переднюю и заднюю поверхности элемента напыляются проводящие
серебряные электроды, после чего он поляризуется по толщине в постоянном
электрическом
приобретает
поле.
Поляризованный
способность
изменять
свою
пьезоэлектрический
толщину
элемент
пропорционально
электрическому напряжению, подаваемому на электроды. При отсутствии
электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при
40
изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в
обратном направлении.
Рисунок 2.10 - Обратный пьезоэлектрический эффект
Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент
начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться),
генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная
частота} определяется отношением скорости распространения ультразвука в
пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента.
Детектирование
отраженных
сигналов
базируется
пьезоэлектрическом эффекте (рис. 2.11).
Рисунок 2.11 - Прямой пьезоэлектрический эффект
41
на
прямом
При
электродах
механической
возникает
деформации
пьезоэлемента
соответствующая
по
разность
толщине
на
потенциалов.
Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление
на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент
функционирует как ультразвуковой датчик.
Как уже говорилось, на излучающую поверхность пьезоэлемента и на
противоположную (тыльную) поверхность наносятся электроды - тонкие
слои токопроводящего металла (как правило, серебра), а к ним припаиваются
проводники токопроводы (см. рис.2.12).
По ним поступают электрические сигналы возбуждения в режиме
излучения и с них же в режиме приема снимаются эхо-сигналы,
преобразованные в электрические.
Рисунок 2.12 - Преобразователь УЗ датчика
От материала и качества изготовления пьезоэлемента прежде всего
зависит
такая
характеристика
Чувствительность —
способность
прибора,
объекта
как
чувствительность.
реагировать
определенным
образом на определенное малое воздействие, а также количественная
характеристика этой способности. Измеряется отношением изменения
величины
выходного
сигнала
преобразователя
изменению измеряемой величины.
42
к
вызывающему
его
Пьезокерамика, из которой изготавливаются пьезоэлементы, очень
хрупкий материал, поэтому датчики требуют бережного обращения. В
современных приборах все чаще находят применение пьезоэлементы,
изготовленные из пьезокомпозитов - материалов, помимо пьезокерамики
включающих в свой состав органические наполнители. Эти материалы
позволяют достичь более высоких характеристик чувствительности и
разрешающей способности. Кроме того, они более технологичны в
изготовлении.
Отметим, что пьезоэффект наблюдается и в некоторых полимерах. Их
использование – перспективное направление развития ультразвуковой
техники.
УЗ преобразователь выполняет следующие функции:
• преобразует электрические сигналы в механические (ультразвуковые)
колебания с последующим излучением их в биологические ткани;
• принимает
ультразвуковые
эхо-
сигналы,
отражаемые
неоднородностями в биологических тканях, и преобразует эти сигналы
в
электрические
для
дальнейшего
усиления
и
обработки;
• обеспечивает формирование УЗ луча требуемой формы как в режиме
излучения, так и в режиме приема; выполняет сканирование, т.е.
перемещение УЗ луча в обследуемой области с помощью специальных
переключателей (коммутаторов) и управляющих сигналов.
Многообразие УЗ преобразователей велико, однако в большинство из
них входят одни и те же компоненты. Кроме преобразователя (рис. 2.12) в
них входят следующие элементы.
Демпфер. Основное назначение демпфера соответствует его названию это
частичное
смягчение
(демпфирование)
механических
колебаний
пьезоэлемента. Делается это для того, чтобы максимально расширить полосу
ультразвуковых частот, излучаемых и принимаемых датчиком, что повышает
продольную разрешающую способность прибора. Другая обязанность
43
демпфера - поглощать излучение тыльной стороны пьезоэлемента, т.е. той,
которая обратна рабочей стороне, контактирующей с телом пациента.
Согласующие
слои.
Наносятся
на
рабочую
(излучающую
и
принимающую сигналы) поверхность пьезоэлемента поверх электрода.
Служат
для
согласования
акустических
сопротивлений
материала
пьезоэлемента и биологических тканей. Хорошее согласование совершенно
необходимо для того, чтобы обеспечить передачу с минимальными потерями
акустических (ультразвуковых) сигналов от пьезоэлемента в биологическую
среду и наоборот, а следовательно, повысить чувствительность датчика.
Акустическая линза. Изготовленная из материала со специально
подобранными свойствами, акустическая линза фокусирует УЗ луч, т.е.
обеспечивает минимальную ширину луча в определенном диапазоне глубин
и, следовательно, улучшает разрешающую способность. Одновременно
акустическая
линза
выполняет роль
протектора
-
защитного
слоя,
предохраняющего пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы.
Для изготовления УЗ преобразователя используются высококачественные
материалы и сложное современное технологическое оборудование. Вот
почему УЗ преобразователи - это дорогие изделия, и в мире можно буквально
по пальцам пересчитать фирмы, которые умеют их делать на необходимом
уровне.
Пьезоэлементы могут быть как одноэлементными, так и состоять из
решетки пьезоэлементов.
Выделяют следующие основные типы пьезоэлементов (рис. 2.13):
• одноэлементный (single element);
• многоэлементная кольцевая решетка (annular array);
• многоэлементные одномерные решетки (multiple elements 1D array):
- линейная (linear);
- конвексная, или выпуклая (convex);
44
- микроконвексная, или выпуклая с малым радиусом кривизны
(microconvex);
• многоэлементная плоская двухмерная решетка (2D array);
• многоэлементная конвексная двухмерная решетка.
Рисунок 2.13 – Конструктивное выполнение пьезоэлементов
Перечисленные конфигурации используются в датчиках, отличающихся
между собой видами сканирования.
На рис. 2.14,а схематически изображены так называемые плоские
продольные волны, т.е. такие, у которых точки с одинаковыми фазами
колебаний находятся на плоской поверхности. Плоские волны являются
следствием возбуждения их с помощью плоского источника звука, в данном
случае плоской колеблющейся пластины. Поверхность с одинаковой фазой
колебаний называется фронтом волны. Кроме плоских волн могут быть
сферические волны, возбуждаемые точечным или сферическим источником
(рис.2.14,б). Фронт волны в этом случае имеет сферическую форму.
Иногда используют цилиндрические волны, фронт которых имеет вид
цилиндрической
поверхности
(рис.
2.14,в).
Электрический
сигнал,
подаваемый на электроды пьезоэлемента или снимаемый с них, может
обрабатываться
аналогово
-
цифровыми
системами
для
характеристик (частоты и интенсивности) ультразвуковой волны.
45
изменения
Рисунок 2.14 – Типы УЗ волн: а) плоская волна, б) сферическая волна,
в) цилиндрическая волна
Говоря о способах получения медико-биологической информации,
следует отметить, что существуют два варианта получения информации о
внутренней структуре объекта с помощью ультразвука. Ведущим в
настоящее время является метод эхолокации, который заключается в приеме
отраженных по мере прохождения в тканях луча сигналов, их обработке в
аппарате и выводе графической или структурной информации на экран.
Второй метод – трансмиссионный. Отличие трансмиссионного метода,
не нашедшего широкого применения в медицинской аппаратуре (за
исключением остеометрических аппаратов и иммерсионных маммоскопов),
от эхолокации состоит в том, что функции передачи и приема сигнала
разделены. Излучатель и приемник располагаются друг напротив друга
строго по одной оси, а исследуемый объект помещается между ними.
46
Информация, таким образом, содержится не в отраженном сигнале, а
прошедшем через объект пучке ультразвуковой энергии.
2.3
Ультразвуковые датчики
В ультразвуковых приборах, работающих в импульсном режиме, для
излучения и приема ультразвука используется одни и тот же элемент.
Поэтому термины "преобразователь", "трансдьюсер", "датчик" являются
синонимами. В настоящее время в работе ультразвукового диагностического
аппарата практически используется только метод эхолокации. Датчик
аппарата является одновременно и передающей и принимающей антенной.
Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства и, в
зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для
приборов
медленного
сканирования
(одноэлементные)
и
быстрого
сканирования (сканирования в реальном времени) - механические и
электронные. Механические датчики могут быть одно- и многоэлементные
(анулярные). Развертка ультразвукового луча может достигаться за счет
качания элемента, вращения элемента или качания акустического зеркала. В
электронных развертка производится электронным путем. Недостатками
механических датчиков являются шум, вибрация, производимые при
движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики
морально устарели и в современных сканерах почти не используются.
Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное
(параллельное), конвексное (выпуклое) и секторное. Изображение на экране
имеет форму сектора (секторные датчики) или окружности (круговые
датчики).
Типы датчиков и их названия определяются использованием в них
различных ультразвуковых преобразователей и способов сканирования.
47
Рисунок 2.15 – Основные типы датчиков для наружного обследования:
а, б – секторные механические (а – кардиологический, б – с водной насадкой),
в – линейный электронный, г – конвексный, д – микроконвексный,
е – фазированный секторный
В зависимости от вида преобразователей можно выделить 5 типов
датчиков (рис.2.15):
 секторные механические датчики (sector mechanical probe) - с
одноэлементными или многоэлементными кольцевыми решетками;
 линейные датчики (linear probe) - с многоэлементными линейными
решетками;
 конвексные и микроконвексные датчики (convex или microconvex
probe)
с
конвексными
и
микроконвексными
решетками
соответственно;
 фазированные секторные датчики (phased array probe)
- с
многоэлементными линейными решетками;
 датчики
с двухмерной
решеткой, линейные, конвексные и
секторные.
48
В секторных механических датчиках (рис. 2.15 а, б) рабочая поверхность
(защитный колпачок) закрывает объем, в котором находится перемещающийся по углу одноэлементный или кольцевой УЗ преобразователь. Объем
под колпачком заполнен акустически прозрачной жидкостью для уменьшения потерь при прохождении УЗ сигналов. Основной характеристикой
секторных механических датчиков помимо рабочей частоты является
угловой размер сектора сканирования а, который указывается в маркировке
датчика (иногда дополнительно дается длина соответствующей дуги Н
рабочей поверхности). Пример маркировки: 3,5 МГц/90°.
Линейные датчики используют частоту 5-15 МГц. Преимуществом
линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдьюсера на поверхности тела. Недостатком линейных
датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного
прилегания поверхности трансдьюсера к коже пациента, что приводит к
искажениям получаемого изображения по краям. Также линейные датчики за
счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с
высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 11 см). Используются в основном для исследования
поверхностно расположенных структур — щитовидной железы, молочных
желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.
Следует иметь в виду, что ширина зоны обзора в линейном датчике всегда
меньше на 20-40% длины апертуры. Таким образом, если указан размер
апертуры 42 мм, ширина зоны обзора - не более 34 мм.
В линейных, конвексных, микро-конвексных и фазированных (секторных) датчиках электронного сканирования рабочая поверхность совпадает с
излучающей поверхностью УЗ преобразователя, которая называется апертурой, и равна ей по размерам. Характерные размеры апертуры используются в
маркировке датчиков и помогают определиться при выборе датчика. В
линейных датчиках характерной является длина апертуры L (рис. 2.15в), так
49
как именно она определяет ширину прямоугольной зоны обзора. Пример
маркировки линейного датчика: 7,5 МГц/42 мм.
В конвексных датчиках зона обзора определяется двумя характерными
размерами - длиной дуги Н (иногда ее хорды), соответствующей выпуклой
рабочей части (рис. 2.15г), и угловым размером сектора сканирования а в
градусах. Пример маркировки конвексного датчика: 3,5 МГц/60°/60 мм. Реже
для маркировки используется радиус кривизны рабочей поверхности,
обозначаемый буквой «Я», например: 3,5 МГц/60Я (радиус - 60 мм).
В микроконвексных датчиках (рис. 2.15д) характерным является –
радиус кривизны рабочей поверхности (аппертуры), иногда дополнительно
дается угол дуги а, определяющий угловой размер сектора обзора. Пример
маркировки: 3,5 МГц/20Я (радиус 20 мм).
Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины
и характера положения органа.
Развертка изображения в электронном секторном датчике достигается
за счет качания ультразвукового луча с его одновременной фокусировкой
(рис. 2.16).
Рисунок 2.16 - Электронный секторный датчик с фазированной антенной
В линейных и конвексных датчиках развертка изображения достигается
путем возбуждения группы элементов с пошаговым их перемещением вдоль
антенной решетки с одновременной фокусировкой (рис. 2.17). Ультразвуковые датчики в деталях отличаются устройством друг от друга. Их
обобщенная схема представлена на рис. 2.18.
50
Рисунок 2.17 - Электронный линейный датчик
Рисунок 2.18 - Устройство одномерного ультразвукового датчика
Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного
излучения образует ультразвуковое поле, форма которого меняется в
зависимости от расстояния (рис. 2.19).
Рисунок 2.19 - Два поля нефокусированного трансдьюсера
51
В
одноэлементном
трансдьюсере
иногда
могут
наблюдаться
дополнительные ультразвуковые "потоки", получившие названия боковых
лепестков.
Расстояние от диска на длину протяженности ближнего поля (зоны)
называется ближней зоной. Зона за границей ближней называется дальней.
Протяженность ближней зоны равна отношению квадрата диаметра
трансдьюсера к 4 длинам волны.
В дальней зоне диаметр ультразвукового поля увеличивается. Место
наибольшего сужения ультразвукового луча называется зоной фокуса, а расстояние между трансдьюсером и зоной фокуса — фокусным расстоянием.
Существуют различные способы фокусировки ультразвукового луча.
Наиболее простым способом фокусировки является акустическая линза
(рис. 2.20).
Рисунок 2.20 - Фокусировка с помощью акустической линзы
С ее помощью можно сфокусировать ультразвуковой луч на определенной
глубине, которая зависит от кривизны линзы. Данный способ фокусировки не
позволяет оперативно изменять фокусное расстояние, что неудобно в
практической работе.
Другим способом фокусировки является использование акустического
зеркала (рис. 2.21).
52
Рисунок 2.21 - Фокусировка с помощью акустического зеркала
В этом случае при изменении расстояния между зеркалом и
трансдьюсером, мы изменяем и фокусное расстояние.
В современных приборах с многоэлементными электронными датчиками
основой фокусировки является электронная фокусировка (рис. 2.17).
Благодаря системе электронной фокусировки, мы можем с панели
прибора изменять фокусное расстояние, однако для каждого изображения мы
будем иметь только одну зону фокуса. Так как для получения изображения
используются очень короткие ультразвуковые импульсы, излучаемые
1000 раз в секунду (частота повторения импульсов 1 кГц), то 99,9% времени
прибор работает в основном как приемник отраженных сигналов.
Имея такой запас времени, возможно запрограммировать прибор таким
образом, чтобы при первом получении изображения была выбрана ближняя
зона фокуса и информация, полученная с этой зоны, была сохранена. Далее
происходит выбор следующей зоны фокуса, получение информации,
сохранение. И так далее. В результате получается комбинированное
изображение, сфокусированное по всей глубине (рис.2.22).
Следует, правда, отметить, что такой способ фокусировки требует
значительных временных затрат на получение одного изображения (кадра),
что вызывает уменьшение частоты кадров и мерцание изображения.
53
Рисунок 2.22 - Способ динамической фокусировки
Большое внимание к фокусировке ультразвукового луча уделяется
потому, что уже луч, тем лучше боковая (латеральная, по азимуту)
разрешающая способность. Боковая разрешающая способность — это
минимальное
расстояние
перпендикулярно
между
направлению
двумя
объектами,
распространения
расположенными
энергии,
которые
представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 2.23).
Рисунок 2.23 - Способ динамической фокусировки
В Приложении 1 представлена классификация датчиков по областям
медицинского применения с некоторыми их техническими характеристиками.
54
Ультразвуковые сканеры
2.4
В современной клинической практике широко применяются разнообразные виды и типы ультразвуковых диагностических устройств. Имеется
множество аппаратов, специально предназначенных для различных разделов
медицины.
Схема всех УЗ сканеров одинакова и включает в себя: базовый блок,
монитор, панель управления, УЗ датчики и устройства сохранения
диагностических изображений (видеопринтер, видеомагнитофон, дисковод и
т.д.). Главным элементом ультразвукового сканера является процессор,
который управляет всеми системами (рис.2.24).
Рисунок 2.24 – Пример схемы УЗ сканера
Отраженные сигналы, принятые датчиком, через приемно-усилительное
устройство попадают в блок формирования и обработки изображения. Эта
часть
аппарата
регулировки
обычно
усиления
имеет
(ВАРУ).
систему
временной
Необходимость
автоматической
ВАРУ
определяется
ослаблением сигнала за счет потерь вследствие отражения, рассеивания и
поглощения ультразвука по мере проникновения его вглубь тканей. Поэтому,
чем позже по времени достиг датчика отразившийся ультразвуковой
55
импульс, тем больше он должен быть усилен, чтобы изображение на экране
было равномерным по яркости. В сложных современных диагностических
устройствах в блоке формирования изображения происходит цифровая
компьютерная обработка сигналов, что существенно повышает качество
получаемой при исследовании информации.
Полученное в результате сложной обработки изображение выводится на
экран, представляющий собой электронно-лучевую трубку, аналогичную
телевизионной. Корректировка параметров изображения и режимов работы
аппарата производится органами управления, расположенными обычно на
передней панели аппарата (клавиатура или другая система регуляторов).
Для
сохранения
изображения
на
экране
монитора
необходима
видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые
мониторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной
форме. Устройство, называемое дискриминатором, позволяет изменять порог
дискриминации, чтобы сигналы, интенсивность которых была ниже порога
дискриминации, не проходили через него и соответствующие участки экрана
оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог
дискриминации, представлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависит от абсолютного значения интенсивности отраженного
сигнала — все белые точки имели одинаковую яркость. При таком способе
представления изображения (он получил название «бистабильный») хорошо
видны границы органов и структуры с высокой отражающей способностью
(например, почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных
органов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов,
которые позволяли передавать на экране монитора оттенки серого цвета,
знаменовало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информацию, которая была недостижима при использовании приборов с бистабильным изображением. Развитие компьютерной
техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изображений к цифровым. Цифровые изображения в ультразвуковых установках
56
формируются на больших матрицах (обычно 512 × 512 пикселов) с числом
градаций серого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на
глубину 20 см на матрице 512 × 512 пикселов один пиксел будет соответствовать линейным размерам в 0,4 мм. На современных приборах имеется
тенденция к увеличению размеров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса 12-дюймовый (30 см по диагонали)
экран становится обычным явлением. Электронно-лучевая трубка ультразвукового прибора (дисплей, монитор) использует остро сфокусированный
пучок электронов для получения яркого пятна на экране, покрытом специальным фосфором. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно
перемещать по экрану.
На рис.2.25 показан УЗ прибор – цифровой УЗИ сканер АсuVista RS880f,
для учебно-методической работе на кафедре.
Рисунок 2.25 - Цифровой УЗИ сканер АсuVista RS880f
57
Управление ультразвуковым сканером осуществляется с помощью
панели управления, основная раскладка которой сохраняется во всех
ультразвуковых аппаратах. Она содержит:
функциональные клавиши;
алфавитную клавиатуру; регулировку усиления сигнала по глубине; трекбол
и кнопки управление маркерами;
кнопки переключения режимов;
регулировку усиления эхосигнала;
кнопки управления изображением.
Трекбол — указательное устройство ввода информации об относительном
перемещении для компьютера.
При сканировании ультразвуковым лучом результат каждого полного
прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количества
вертикальных линий (рис. 2.26).
Рисунок 2.26 - Формирование изображения отдельными линиями
Каждая линия — это как минимум один ультразвуковой импульс.
Частота повторения импульсов для получения серошкального изображения в
современных приборах составляет 1 кГц (1000 импульсов в секунду).
Существует взаимосвязь между частотой повторения импульсов (ЧПИ),
числом линий, формирующих кадр, и количеством кадров в единицу
времени: ЧПИ = число линий × частота кадров.
На
экране
монитора
качество
получаемого
изображения
будет
определяться, в частности, плотностью линий. Для линейного датчика
58
плотность
линий
(линий/см)
является
отношением
числа
линий,
формирующих кадр, к ширине части монитора, на котором формируется
изображение. Для датчика секторного типа плотность линий (линий/градус)
— отношение числа линий, формирующих кадр, к углу сектора. Чем выше
частота кадров, установленная в приборе, тем (при заданной частоте
повторения импульсов) меньше число линий, формирующих кадр, меньше
плотность линий на экране монитора, ниже качество получаемого
изображения. Зато при высокой частоте кадров мы имеем хорошее временное
разрешение, что очень важно при эхокардиографических исследованиях.
2.5
Режимы работы ультразвуковых сканеров
При рассмотрении технологий УЗ диагностики оказывается сложным
разделить медицинские, аппаратные и компьютерные технологии при
описании самих приборов (сканеров). Это связано с тем, что и медицинские
технологии, и компьютерные технологии определяются режимами работы
УЗ сканера. С одной стороны режим работы определяется программным
обеспечением, управляющим разверткой сканера (способом формирования
изображения), с другой – медицинские технологии напрямую зависят от
режимов работы и при их описании без упоминания режимов не обойтись.
Изображение, получаемое при исследовании, может быть разным в
зависимости от режимов работы сканера.
В настоящее время в медицине для разных задач используются разные
УЗИ сканеры. Выделяют следующие режимы их работы.
А-режим – самый простой режим, для которого не требуется
сканирование. Зондирование осуществляется при неизменном направлении
акустического луча. На экране монитора отображается А-эхограмма в виде
амплитудных значений эхо-сигнала, отраженных от неоднородностей,
находящихся на различных глубинах в пределах луча (рис. 2.27).
59
Рисунок 2.27 – Эхоскопия глаза по А-методу: 1 — эхосигнал от передней
поверхности роговицы; 2,3— эхосигналы от передней и задней поверхностей
хрусталика; 4— эхосигнал от сетчатки и структур заднего полюса глазного
яблока
А-режим применяется как самостоятельный режим в приборах
офтальмологии, при транскраниальных исследованиях головного мозга, а
также для обследования носовых и лобных пазух.
А-режим используется как дополнительный для анализа амплитудной
информации в выбранном луче (акустической строке) помимо яркостной
информации об эхосигналах.
В-режим (от английского слова Brightness – яркость, иногда называют
также 2D) является основным во всех областях исследования. При этом
применяется периодическое излучение УЗ импульсов во внутренние
структуры организма и прием сигналов, отраженных акустическими
неоднородностями структур. Информация образуется прежде всего за счет
отражения УЗ колебаний и образования эхо-сигналов - вторичных сигналов,
60
распространяющихся
в
сторону,
обратную
направлению
излучения.
Величина (уровень) эхо-сигналов определяется отражающими свойствами
границ
раздела
структур,
что
связано
с
различием
акустических
характеристик этих структур, а также: преломлением - изменением
направления распространения УЗ сигналов при переходе из одной среды в
другую; рассеянием - многократным переотражением УЗ сигналов на мелких
неоднородностях; поглощением УЗ сигналов вследствие вязкости среды.
Когда поясняют принцип получения акустического изображения, чаще всего
пользуются структурной схемой, представленной на рис. 2.28.
Рисунок 2.29 – Структурная схема получения двумерного изображения
в УЗ приборе
Датчик (зонд) обеспечивает излучение УЗ сигналов в определенных
направлениях и прием отраженных эхо-сигналов с этих же направлений.
Изменяя направление излучения-приема, датчик осуществляет сканирование,
т.е. последовательный «просмотр» обследуемой области. Для того чтобы
избежать потерь мощности УЗ сигналов при прохождении через воздух, в
котором затухание сигналов резко возрастает, между поверхностью
61
обследуемого объекта (тела пациента) и рабочей поверхностью датчика
наносится слой специального геля, хорошо проводящего ультразвук.
Излучение
и
прием
УЗ
сигналов
в
процессе
сканирования
осуществляется периодически, при этом каждый раз в ограниченной области
пространства, ограниченной УЗ лучом.
На рис.2.29
изображен луч 1,
который ориентирован в соответствии с направлением своей оси (штрих
пунктир). В режиме излучения границы луча (сплошная линия) определяют
область, в которой в основном сосредоточена излучаемая мощность.
Рисунок 2.29 – Датчик и УЗ лучи
Конечно, это не означает, что за пределами границы мощность сразу
спадает до нуля - это физически невозможно. Граница является условной и
обычно проводится по точкам, в которых уровень мощности излучения
уменьшается по сравнению с максимальным уровнем на данной глубине в
определенное число раз, например в 4 раза (минус 6 децибелов, кратко -6 дБ)
или в 10 раз (-10 дБ). Максимальный уровень излучения на каждой глубине
имеет место вдоль оси луча. Все сказанное относится к режиму излучения, и
луч в этом случае мы называем передающим.
62
В начале очередного цикла сканирования устройство управления сканированием обеспечивает установку луча датчика в положение 1. Устройство
передачи-приема сигналов формирует короткий передающий электрический
импульс, который поступает на датчик. В датчике электрический импульс
преобразуется в зондирующий акустический импульс, который излучается в
направлении оси луча. Зондирующий импульс начинает движение внутрь
биологического объекта, распространяясь со скоростью, близкой к скорости
звука в воде (С = 1500 м/с). За пределами луча 1 зондирующий импульс
быстро уменьшается по мощности, и только в пределах границ луча его
уровень достаточно велик. По мере движения в пределах луча зондирующий
импульс уменьшается по мощности вследствие отражения, рассеяния и
поглощения части его энергии.
Сразу же по окончании излучения зондирующего импульса датчик
вместе с устройством передачи-приема переходит из режима передачи в
режим приема сигналов. При этом можно говорить о приемном луче
датчика, определяющем пространственную область, в которой датчик имеет
максимальную чувствительность на прием. Луч на излучение (передачу) и
приемный луч совпадают по направлению и близки по виду, но в общем
случае не обязательно одинаковы по форме, что определенным образом
влияет на акустическое изображение. Если на пути зондирующего импульса,
который продолжает свое путешествие в границах передающего луча,
встречаются акустические неоднородности, часть мощности зондирующего
импульса в виде эхо-сигналов отражается в различных направлениях, в том
числе и в направлении на датчик. Учитывая то обстоятельство, что
зондирующий импульс распространяется не только в пределах передающего
луча, но и за его границами (хотя и существенно меньшего уровня), характеристики приемного луча чрезвычайно важны для получения качественного
акустического изображения. Если приемный луч такой же ширины, как и
передающий, это позволяет практически исключить прием эхо-сигналов из
области за пределами общих границ лучей. Эхо-сигналы от неоднородностей
63
в пределах границ лучей при достаточном уровне отражения принимаются
датчиком, преобразуются в электрические импульсы и после усиления в
устройстве передачи-приема поступают в устройство преобразования, обработки и запоминания сигналов. На выходе этого устройства формируются
сигналы в виде, позволяющем отображать их на телевизионном мониторе.
Эхо-сигналы отображаются в виде яркостных отметок на невидимой линии,
соответствующей оси УЗ луча 1. Информация в виде яркостных отметок
вдоль осей называется акустическими строками. Яркость отметок на акустических строках соответствует амплитуде принятых эхо-сигналов.
Оси всех лучей находятся в одной плоскости, которая называется
плоскостью сканирования. Все эхо-сигналы, принятые и преобразованные
прибором, отображаются на телевизионном мониторе на акустических
строках, каждая из которых соответствует своему лучу. В результате
образуется яркостное изображение, отсюда и название В-режим (от слова
brightness - яркость). Другое обозначение для В-режима - 2D-режим (от слова
two-dimensional - двухмерный).
Акустическое изображение с достаточно высокой точностью воспроизводит геометрические формы внутренних структур. Каким образом?
Прежде всего, за счет того, что взаимное расположение акустических строк
на экране монитора в определенном масштабе точно воспроизводит взаимное
расположение осей соответствующих лучей, переключаемых в процессе
сканирования. Положение отражающих неоднородностей вдоль акустической строки может быть вычислено посредством измерения времени
прихода эхо-сигналов от них относительно начала зондирования.
Здесь используется то обстоятельство, что скорость распространения
ультразвукового импульса в мягких тканях не сильно варьирует в
зависимости от типа тканей (как правило, в пределах ±5%) и близка к
скорости ультразвука в воде. Поэтому глубину расположения отражающего
образования по оси луча (акустической строке) можно вычислить по формуле
64
L
Ct
, где L - расстояние отражателя до датчика, t - интервал времени
2
между началом зондирования и моментом прихода эхо-сигнала, С усредненная скорость ультразвука в мягких тканях (обычно принимается С~
1540 м/с). Деление на 2 учитывает, что за время t сначала расстояние L
проходит зондирующий сигнал, а потом эхо-сигнал проходит тот же путь
обратно. Время t может быть достаточно точно измерено, скорость С
полагается известной, поэтому величина L определяется в приборе для
каждого эхо-сигнала, и в соответствии с результатом этого вычисления
яркостная отметка отображается на акустической строке.
Рисунок 2.30. Определение расстояния до отражающих неоднородностей
Если попытаться очень упрощенно изложить физику формирования
данного режима, то получится следующее. Посылаются короткие импульсы,
которые
отражаются
от
границ
сред
65
с
различным
акустическим
сопротивлением.
Датчик
преимущественно
«слушает»,
меньше
«разговаривает». По времени прошедшему от момента посылки сигнала
можно рассчитать расстояние до отражающего объекта, так как известна
скорость распространения ультразвука в тканях. Интенсивность отраженного
сигнала кодируется оттенками серого цвета.
Рисунок 2.31 - Изображение на мониторе УЗ-сканера в B-режиме
Пьезоэлементы работают группами, которые формируют УЗ луч на
передачу и прием. Из луча формируется «акустическая строка» (ориентирована вертикально). Затем активная группа смещается, формируется следующая строка. Построчно формируется один кадр изображения в В-режиме.
M-режим (от английского слова motion – движение). Данный режим
позволяет получить информацию об изменении положения движущихся
структур в формате одномерного изображения. На оси ординат фиксируется
расстояние от датчика до исследуемой анатомической структуры, а на оси
абсцисс – время исследования. Амплитуда отраженного эхосигнала
кодируется оттенками серого цвета.
В М-режиме зондирование периодически повторяется в одном и том же
направлении акустического луча.
66
Рисунок 2.32 – Получение М-эхограммы
При формировании М-эхограммы в каждом зондировании амплитудная
информация об эхо-сигналах с различных глубин отображается в виде
отметок
различной
яркости
вдоль
вертикальной
линии
на
экране
(акустической строки). Следующему зондированию соответствует своя
линия, расположенная правее предыдущей, и в процессе перемещения
столбца с каждым новым зондированием формируется двухмерная Мэхограмма.
Положение яркостных отметок по вертикали пропорционально глубине
отражающей структуры (например, сердечного клапана). На горизонтальной
оси меняются моменты зондирования (t1 t2... и т.д.), каждому из которых
соответствует новое положение подвижных структур. С помощью Мэхограммы можно количественно оценивать геометрическое смещение
подвижных структур и измерять изменение взаимного положения различных
структур (например, просвет в клапанах сердца, изменение размера
желудочка и т.д.).
67
М-режим широко используется в кардиологии, как правило вместе с Врежимом. В процессе сканирования в В-режиме исследователь выбирает
необходимый ракурс наблюдения, потом с помощью курсорной линии на Вэхограмме выбирается направление зондирования (направление оси УЗ луча)
для М-режима, после чего положение датчика фиксируется рукой и
включается режим М.
Рисунок 2.33 - Исследование митрального клапана сердца
в M-режиме УЗ-сканера
Специальные датчики для М-режима в современных приборах не
используются,
и
получение
М-эхограмм
обеспечивается
датчиками,
применяемыми для В-режима.
Как правило, используются следующие режимы отображения М-эхограммы на экране прибора:
- M - режим отображения только М-эхограммы;
- В + M - режим одновременного отображения двухмерной В-эхограммы и
М-эхограммы.
68
В заключение следует сказать о временных характеристиках получения
М-эхограммы. Частота периодического зондирования не менее 20 Гц. Длительность отображаемой М-эхограммы во времени - от 1 до 16 с (время
развертки).
Трехмерный (3D) режим (Three-Dimension mode) – синтезирование
объемного изображения,
получаемого
методом
электронного
или
механического сканирования в двух и более плоскостях (рис.2.34).
Первоначально 3D появилось в компьютерной томографии, поскольку
вычислительные мощности позволяли суммировать параллельные срезы в
единый объемный блок. Еще несколько лет назад 3D воспринималось как
практически мало нужное длительное по времени эстетство профессионалов
ультразвуковой диагностики. Сейчас оно является неотъемлемой частью не
только научных изысканий, но и практической диагностики.
Рисунок 2.34 - Объемное изображение плода
Большое будущее подобных технологий не вызывает сомнений, так как
оно облегчает труд и позволяет наглядно представлять анатомические особенности и патологические изменения в исследуемом организме.
Четырехмерный (4D) режим (Four-Dimension mode) – формирование
объемного изображения в реальном времени. Четырехмерное УЗИ – это
абсолютно новый метод ультразвукового исследования, который стал
69
возможным
благодаря
современным
компьютерным
технологиям.
Возможности такого исследования позволяют наблюдать все происходящее в
организме в режиме онлайн, лишь с небольшой долей запоздания. Это
является основной чертой различия между 4D и 3D УЗИ, в котором
изображение формируется на основании длины, высоты и глубины картинки.
3D/4D – это объемная реконструкция органов, возможность оценить их
поверхность. Данная методика в настоящее время активно изучается и
внедряется в практику
D-режим
(доплерография).
Режимы
доплерографии
позволяют
регистрировать основные параметры кровотока (скорость, направление и
ламинарность). Для получения информации о движущихся структурах
организма используются аппаратные технологии, основанные на эффекте
Доплера.
Ультразвуковая допплерография (УЗДГ) в зависимости от вида
излучения ультразвукового сигнала подразделяется на 2 вида.

Импульсная доплерография. Методика базируется на периодическом
излучении
серий
импульсов
ультразвуковых
волн,
которые,
отразившись от эритроцитов, последовательно воспринимаются тем же
датчиком. В этом режиме фиксируются сигналы, отраженные только с
определенного расстояния от датчика, которые устанавливаются по
усмотрению врача. Достоинства: возможность оценки кровотока в
любой заданной точке.
 Непрерывная
волновая доплерография (CW). Методика основана
на излучении непрерывного синусоидального сигнала и постоянном
приеме отраженных ультразвуковых волн. При этом величина сдвига
частоты отраженного сигнала определяется движением всех структур
на пути ультразвукового луча в пределах глубины его проникновения.
Недостаток: невозможность изолированного анализа потоков в строго
определенном месте. Получается усредненная скорость кровотока от
70
всех сосудов, попавших в зону сканирования. Достоинства: допускает
измерение больших скоростей потоков крови.Приборы в этом случае
содержат, как правило, два пьезоэлемента: излучатель УЗ, работающий
в непрерывном режиме, и приемник отраженных сигналов.
Измеряя доплеровский сдвиг частоты УЗ-волны, отраженной от
подвижного объекта (например, от стенки сосуда), определяют скорость
движения отражающего объекта (см. формулу 2.3).
Цветное
допплеровское
картирование
(ЦДК)
–
ультразвуковая
технология визуализации кровотока, основанная на регистрации скоростей
движения крови и кодировании этих скоростей разными цветами. При
исследовании
окрашиваются
крупные
и
средние
сосуды,
а
при
энергетическом доплере – и капилляры. Важно оценить не только структуру
органа, но и его кровоснабжение, т.к. при таком исследовании возможно
определить первые признаки опухолевого процесса.
Энергетическая допплерография (ЭД). Методика основана на анализе
амплитуд всех эхосигналов допплеровского спектра, отражающих плотность
эритроцитов в заданном объеме. Оттенки цвета (от темно-оранжевого к
желтому) несут сведения об интенсивности эхосигнала. Диагностическое
значение энергетической допплерографии заключается в возможности
оценки васкуляризации органов и патологических участков. Васкуляризация
- обеспечение кровеносными сосудами и, следовательно, кровью органов,
областей и частей тела.
Недостаток метода заключается в том, что, используя его, невозможно
судить о направлении, характере и скорости кровотока. Достоинства:
отображение получают все сосуды, независимо от их хода относительно
ультразвукового луча, в том числе кровеносные сосуды очень небольшого
диаметра и с незначительной скоростью кровотока.
71
При сочетании нескольких режимов сканирования выделяют следующие варианты:

Одиночный режим (B; M)

Дуплексный режим (В+М; B+ЦДК (ЭД)

Триплексный режим (В+ЦДК+СПЕКТРАЛЬНЫЙ ДОППЛЕР)

Конвергентный режим (ЦДК+ЭД).
Систематизация УЗИ аппараты по функциональным возможностям и
назначению, а также по техническому уровню и качеству выполняемых
функций приведено в Приложении 2.
Функциональные возможности перечисленных выше универсальных и
специализированных приборов определяются не только имеющимися в них
режимами работы, но и набором датчиков и дополнительных устройств,
которые могут быть подключены к УЗИ аппарату, вычислительными
программами, устройствами запоминания, архивирования и регистрации
диагностической информации.
Области медицинского применения в основном определяются типом
датчиков,
работающих
с
ультразвуковым
прибором
и
наличием
специализированных режимов работы.
Качество получаемой информации зависит от технического уровня
прибора - чем сложнее и совершеннее прибор, тем выше качество
диагностической информации. Как правило, по техническому уровню
приборы делят на четыре группы:
1) простые приборы;
2) приборы среднего класса;
3) приборы повышенного класса;
4) приборы высокого класса (иногда называемого high-end) ALOKA.
72
Среди изготовителей и пользователей ультразвуковой диагностической
техники отсутствуют согласованные критерии оценки класса приборов, так
как имеется очень большое количество характеристик и параметров, по
которым можно сравнивать приборы между собой. Тем не менее, можно
оценить уровень сложности аппаратуры, от которой в значительной мере
зависит качество получаемой информации. Одним из основных технических
параметров, определяющих уровень сложности ультразвукового сканера,
является
максимальное число приемных и
передающих
каналов в
электронном блоке прибора, так как чем больше число каналов, тем лучше
чувствительность и разрешающая способность - основные характеристики
качества ультразвукового изображения.
В простых (как правило, переносных) УЗИ аппаратах число каналов
передачи-приема не более 16, в приборах среднего и повышенного класса 32,
48 и 64. В приборах высокого класса число каналов может быть более 64,
например 128, 256, 512 и даже более. Как правило, ультразвуковые сканеры
высокого и повышенного класса являются приборами с цветовым
допплеровским картированием.
УЗ аппараты высокого класса обычно используют в максимальной мере
современные
возможности
цифровой
обработки
сигналов,
начиная
практически с выхода датчиков. По этой причине такие приборы называют
цифровыми системами или платформами (digital system).
73
3 Медицинские технологии ультразвуковой диагностики
3.1 Методика ультразвуковых исследований
Методика ультразвукового исследования как медицинская технология
(способ реализации медицинских задач) сводится к:
• определению целей исследования (показаний);
• подготовки пациента к исследованию;
• выбору датчика и режимов исследования;
• настройке аппарата;
• использованию стандартных проекций исследования (позиций
датчика);
• разграничению нормы и патологии;
• выявлению основных симптомов и синдромов;
• формулированию сонографического заключения.
Определение показаний к исследованию зависит от чувствительности
и специфичности ультразвукового метода в отношении патологического
процесса и акустического доступа. Необходимо помнить, что точная
постановка целей и задач исследования перед врачом лучевой диагностики
приводит к целенаправленному поиску патологии и, следовательно,
повышению качества диагностического процесса.
Подготовка пациента, прежде всего, связана с улучшением условий
акустической визуализации: ультразвуковым окном и наполнением полостных органов. Исследования органов брюшной полости должны производиться натощак, а органов малого таза – с наполненным мочевым пузырем. В
ряде случаев требуется искусственное наполнение органов (например, желудочно-кишечного тракта) акустически однородной жидкостью: водой,
физиологическим раствором и т.д. При исследовании функционального
состояния внутренних органов рекомендована отмена органотропных
лекарственных препаратов на срок, определяемый их выводом из организма.
В ряде случаев для определения функции органа, дифференциальной
74
диагностики заболеваний и определении эффективности лекарственного препарата возможно проведение острой фармакологической пробы, как динамического исследования до и после приема фармакологического средства.
Проведение интервенционных манипуляций под контролем УЗИ у детей
младшего возраста и больных с нестабильной психикой предполагается
совместно с анестезиологом-реаниматологом.
Выбор датчика и режима исследования определяются топографоанатомическими и функциональными особенностями исследуемой области и
патологического процесса. В определенных случаях необходимо комбинирование датчиков и/или режимов исследования. Так, например, при
врожденных пороках сердца возможно использование 2D-, M-, PWD- CIDрежимов, а при гинекологических исследованиях
– поверхностного
конвексного и трансвагинального датчиков.
Настройка аппарата. Необходимым условием для объективной
интерпретации эхографической картины является настройка параметров
ультразвукового прибора, при которых тестовая серая шкала на дисплее
имеет максимальное количество градаций. Так же проводится настройка
доплеровской системы: чувствительности доплеровского сигнала, величины
контрольного объема и т.д.
Позиционирование датчика. Для детального изучения органа и его
внутренних структур необходимо производить полиплоскостное исследование, которое достигается разнообразным позиционированием датчика (рис.
3.1) и его движением (рис. 3.2).
Важным условием для объективной интерпретации эхографической
картины является правильная ориентация ультразвукового изображении. При
продольном сканировании на экранах монитора головной конец изображения
всегда расположен справа, а нижний — слева от исследователя.
75
Рисунок 3.1 - Варианты позиционирования датчика: 1 – продольное,
2 – поперечное, 3 – косое, 4 – корональное
Рисунок 3.2 - Варианты движения датчика:
1 – ротационное, 2 – скольжение, 3 – угловое
При поперечном сканировании печень на экране всегда находится слева,
селезенка — справа. Для ориентации расположения анатомических структур
используются следующие термины: передний или задний, когда объект
расположен, соответственно, ближе к передней или задней поверхностям
тела; медиальный или латеральный — при расположении объекта, соответственно, ближе к срединной линии или боковым поверхностям тела;
верхний или нижний, когда объект расположен, соответственно, ближе к
76
голове или нижним конечностям; проксимальный или дистальный — при
расположении объекта, соответственно, ближе или дальше от другого
объекта.
Характеристика объемных, особенно сложных в пространственном
отношении, структур и образований требует сканирования как минимум в
двух взаимно перпендикулярных проекциях.
Для определения точных численных значений кровотока с помощью
постоянного и импульсного допплеровского исследования необходимо
использовать позиции датчика, при которых ход ультразвукового пучка
совпадает с направлением потока или вводить корригирующий угловой
коэффициент cosθ (см. формулу 2.3).
Разграничение нормы и патологии предполагает знание основных
анатомо-физиологических и сонографических характеристик (см. «Принципы интерпретации сонограммы» в Приложениях) исследуемого органа или
области. При оценке данных исследования необходимо учитывать возрастные и половые особенности. Часто используются индексированные нормативы, исходя из массы или площади тела, в виде таблиц и номограмм.
Выделение ведущего сонографического синдрома(ов) основано на
определении симптомокомплексов, изложенных в разделе «Информационное
описание симптоматики основных патологических процессов [2].
Проведение межсиндромной и внутрисиндромной дифференциальной диагностики основано не только на знании основных сонографических
синдромов. Необходимо помнить, что УЗИ является одним из инструментальных методов исследования, обладающим в ряде случаев невысокой
диагностической чувствительностью и специфичностью, и для четкого
определения патологического процесса требуется совокупная оценка жалоб
больного, его анамнестических данных, результатов физикального и других
лабораторно-инструментальных методов исследования. Наиболее адекватным является обследование пациента совместно с лечащим врачом.
77
Формулировка заключения сводится к описанию ультразвуковой
картины и определению сонографического синдрома(ов). При описании
используются стандартные протоколы ультразвукового исследования для
каждого органа или системы с учетом их топографо-анатомических и
физиологических
особенностей.
Единая
система
протоколирования
осуществляет преемственность и возможность полноценной динамической
оценки патологического процесса.
3.2 Интерпретация изображений
Целью ультразвукового исследования является создание образной
картины исследуемого объекта на основе анализа и сопоставления
следующих характеристик: расположение, подвижность, форма, контуры,
звукопроводимость, эхогенность, наличие или отсутствие акустических
эффектов, эхоструктура, размеры и функциональные показатели.
Расположение объекта и взаиморасположение его с окружающими
структурами сравнивается с общепринятыми нормативами.
Подвижность объекта определяется относительно окружающих структур при дыхании, глотании, изменении положения тела или компрессии
датчиком. Подвижность может быть нормальной, повышенной, сниженной
или отсутствовать.
Форма сравнивается с вариантами геометрических фигур: шаровидная,
овоидная, каплевидная, линзовидная, неправильная и др.
Контуры оцениваются как характеристика границ объекта: ровные или
неровные, четкие или нечеткие, сплошные или прерывистые и возможные
сочетания приведенных характеристик.
Звукопроводимость оценивается, как способность объекта проводить
ультразвук. Тестовым органом для определения уровня звукопроводимости
является нормальная печень, при исследовании которой уровень яркости
близлежащих и глубоких структур практически одинаков. При появлении
78
патологических изменений, например цирроза или жировой дистрофии,
происходит более выраженное поглощение ультразвука тканью, что
приводит к его более быстрому затуханию — снижению звукопроводимости.
Вследствие этого глубинные участки исследуемых органов выглядят более
темными.
Эхогенность является важным показателем для оценки плотности
исследуемого объекта. Жидкостные структуры (желчный пузырь, киста и др.)
однородны и свободно пропускают ультразвуковые волны, не отражая их,
поэтому они эхонегативны (анэхогенны) даже при усилении мощности
ультразвука. Плотные структуры (кость, конкремент и др.) полностью
отражают ультразвуковые волны, поэтому эти объекты всегда эхопозитивны
(гиперэхогенны). Тестовым органом, имеющим среднюю эхогенность, являяется нормальная печень. При ультразвуковом исследовании важно проведение сравнения эхогенности различных объектов, например, эхогенность
паренхимы нормальной почки всегда ниже, а эхогенность ткани нормального
надпочечника всегда выше эхогенности паренхимы нормальной печени.
Эхоструктура является показателем уровня эхогенности различных
структур в пределах исследуемого объекта. Неизмененные паренхиматозные
органы (печень, селезенка и др.) имеют однородную эхоструктуру за счет
равномерно распределенных по всему органу эхосигналов с одинаковой
интенсивностью. При патологических изменениях (например, цирроз печени)
эхоструктура становится неоднородной. Как внутри паренхиматозных органов, так и вне их встречается много трубчатых образований — кровеносные
сосуды, протоки. Эхографически они характеризуются достаточно четкой
стенкой с собственной эхоструктурой и эхонегативным просветом.
Изучение их диаметра и стенок имеет важное диагностическое значение.
Определение размеров объекта исследования также является необходимым показателем при проведении ультразвукового исследования. Существуют нормативы размеров различных органов, поэтому для правильной
79
интерпретации выявленных врожденных и приобретенных изменений
органов биометрия имеет важное значение.
Определение функциональных показателей (оценка кровотока методом допплерографии, оценка сократительной способности желчного пузыря
и др.) дает дополнительную информацию при ультразвуковом исследовании
объекта.
3.3 Информационное описание симптоматики основных
патологических процессов
К основным патологическим синдромам можно отнести:
• воспалительный процесс,
• дегенеративно-дистрофический процесс,
• травматические повреждения,
• конкременты (камни, плотные образования, встречающиеся в
полостных органах и выводных протоках желез человека),
• объемные образования.
Воспалительный
зависимости
от
процесс
стадии
имеет
развития
и
разнообразные
длительности
проявления
течения.
в
Острый
воспалительный процесс характеризуется совокупностью симптомов:
• увеличение (локальное или общее) органа,
• утолщение стенок (капсулы) с нечеткими ровными контурами,
• отек окружающих тканей вплоть до выпота (выпот — патологическое
состояние,
характеризующееся
скоплением
какой-либо
биологической
жидкости: гноя, крови, лимфы и т.п.),
• изменения структуры диффузного или очагового характера,
• структура паренхимы плохо дифференцируется (размытая),
• эхогенность понижена или повышена,
• нарушение функции.
80
Рассмотрим в качестве примера медицинское заключение УЗ исследования пациента. Существует также формы (схемы) составления описания сонограммы, объемных образований, представления заключения.
СХЕМА ЗАКЛЮЧЕНИЯ СОНОГРАММЫ
Заключение:
• Ультразвуковых признаков патологических изменений не выявлено.
• Ультразвуковое исследование затруднено (невозможно) из-за
сложности акустического доступа.
• Ультразвуковые признаки:
- врожденной вариации (размеров, формы, ротации, опущения)
- диффузного (острого воспалительного, хронического
воспалительного, дистрофического, дегенеративного) поражения
- неопухолевого очагового (истинные и ложные кисты) поражения
• Ультразвуковые признаки:
- одиночного (множественных) доброкачественного новообразования
- одиночного (множественных) злокачественного новообразования
- Ультразвуковые признаки регионарной лимфаденопатии
- Ультразвуковые признаки прорастания в рядом расположенные
органы и структуры
• Ультразвуковые признаки:
- патологических изменений артерий и вен органа не выявлено
- аномалий развития (…) артерии (вены) и ее ветвей
- тромбоза (…) вены и ее ветвей
- экстравазальной компрессии сосуда
- артерио-венозного шунтирования в системе (…) вены
- травматического повреждения в системе (…) сосуда
- вторичных изменений в системе (…) сосуда и его ветвях при
заболевания внутренних органов
81
ПРИМЕР СОНОГРАФИЧЕСКОГО ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Ультразвуковое исследование поджелудочной железы в 2D- и PDрежиме. Акустический доступ затруднен, однако исследование возможно.
Расположение железы без особенностей. Контуры ровные, четкие, капсула
дифференцируется хорошо. Размеры без особенностей (головка – 21 мм, тело
– 14 мм, хвост – 17 мм). Форма гантелевидная. Структура паренхимы
диффузно-неоднородная
незначительной
степени
с
локальной
распространенностью в области головки и тела. Эхогенность умеренно
диффузно повышена. Сосудистый рисунок паренхимы сохранен по данным
PD. Вирсунгов проток незначительно расширен, в диаметре – 2,4 мм.
Селезеночная вена не изменена. Выявлено одно объемное образование с
глубокой компактной локализацией в головке. Образование анэхогенной
кистозной однородной структуры с нечетко дифференцируемой капсулой.
Образование характеризуется эффектом дистального и бокового усиления.
Размеры 9х10х9 мм. При PD исследовании регистрируется периферическое
расположение сосудов вокруг объемного образования.
Заключение.
Ультразвуковые
воспалительного процесса
и
признаки
одиночного
диффузного
хронического
неопухолевого
(кистозного)
поражения. Патологических изменений артерий и вен не выявлено.
4 Обработка изображений
В инструментальной диагностике наметилась жесткая тенденция к
использованию технологии трехмерных, или объемных, изображений – 3D.
Современные УЗ сканеры имеют возможность подключения к компьютерам,
а ряд приборов имеют встроенный компьютер и снабжены базовой
программой
просмотра
и
редактирования
трехмерных
эхограмм.
Компьютерные технологии стали широко входить в жизнь и использоваться
82
при проведении ультразвуковых исследований для получения объемных
изображений и изучения, в свою очередь, виртуальных картин любого органа
в
любой
произвольной
сканирования.
изображений
плоскости
Возможность
открылась
вне
получения
вместе
с
зависимости
виртуальных
развитием
новых
от
плоскости
диагностических
компьютерных
технологий. Появились мощные быстродействующие компьютеры для
обработки больших массивов информации и универсальные компьютерные
программы для получения, обработки и анализа объемных изображений.
Нельзя сказать, что использование трехмерных ультразвуковых изображений
уже завоевало широкую популярность в практической работе врачей
ультразвуковой диагностики. Пока во многом развитие этих технологий
сдерживается несовершенством ультразвуковой аппаратуры и сложностью
математических методов обработки изображений.
Известно, что в настоящее время большинство производителей
ультразвуковой
диагностической
аппаратуры
проводят
политику
перемещения наиболее продвинутых и сложных технологий с аппаратов
экспертного класса на более простые и менее дорогостоящие приборы. Так,
уже на большинстве аппаратов среднего класса появились датчики и
программы трехмерной, а на некоторых – и четырехмерной эхографии.
Исходя из этой тенденции, становится совершенно понятным, что основной
парк ультразвуковой аппаратуры будет в скором времени меняться.
Соответственно этому будут меняться и программы обследования пациентов.
4.1 Технология вычисления объемов структур сложных объектов в
трехмерном режиме (VOCAL)
VOCAL™ (Virtual Organ Computer-aided AnaLysis, или VOlume
CALculations - англ. компьютеризированный анализ виртуального органа или
объемные расчеты) - это специализированная программа, предназначенная
для количественной оценки трехмерных данных, полученных в режиме
83
статического трехмерного (3D) сканирования, которая интегрирована с 3D
View - базовой программой просмотра и редактирования трехмерных
эхограмм.
Суть манипуляций с трехмерными данными в VOCAL заключается в
том, что зону интереса (орган или патологический очаг любой формы)
позиционируют на мониторе в одной из контрольных плоскостей (A, B или
C) таким образом, чтобы ось вращения проходила через ее центр. Затем в
меню задается шаг вращения объекта в 12, 18 или 30° и способ, которым
будет выполняться оконтуривание (сегментация) изображения: ручной или
автоматический. После завершения оконтуривания программа автоматически
рассчитывает объем зоны интереса. С помощью специальной функции
программы Shell Histogramm можно рассчитать медиану эхогенности зоны
интереса, а также если трехмерное сканирование было выполнено в режиме
энергетического
допплера
(ЭД), индексы
васкуляризации,
потока
и
перфузии. Индекс васкуляризации (VI) является отношением числа цветных
вокселей к общему числу вокселей, из которых состоит трехмерная
эхограмма, т.е. он отражает «насыщенность» объекта сосудами. Индекс
потока (FI) представляет собой медиану яркости цветных вокселей: чем
выше скорость кровотока, тем ярче энергетические допплеровские сигналы и
тем соответственно больше значения индекса потока. Индекс перфузии (VFI)
является соотношением средневзвешенного числа цветных вокселей к
общему числу вокселей в трехмерной эхограмме. Все эти расчеты можно
проводить многократно в режиме off-line, т.е. работая с «виртуальным
пациентом».
4.2 Технология MicroPure
Перспективное свечение на синем фоне на 10% лучше воспринимается
глазом, чем на сером. Именно поэтому при исследовании в данном режиме
микрокальцификаты отображаются ярко светящимися объектами или
84
фокусами на синем фоне. Впервые ультразвуковой прибор позволяет
оператору уверенно различать микрокальцинаты. Режим MicroPure улучшает
визуализацию микрокальцинатов и может быть успешно использован в
клинике.
Важным
преимуществом
ультразвуковой
визуализации
микрокальцинатов является возможность выполнения прицельных биопсий
под УЗ-контролем. При стереотаксической биопсии видны только скопления
микрокальцинатов,
а
при
УЗИ
в
режиме
MicroPure
одновременно
отображаются скопления микрокальцинатов и клеточные поля сниженной
эхогенности, в этом режиме отмечается значительное понижение количества
артефактов и уменьшается зависимость от угла сканирования. Это
преимущество обеспечивает и облегчает последующее планирование
интервенционной терапии. MicroPure — принципиально новая клиническая
опция, которая позволяет выявить микрокальцинаты — потенциальные
маркеры малигнизации опухолей молочной железы, повышает точность и
эффективность прицельной биопсии.
85
Литература
1. Миллер Э., Хилл К.Р., Бэмбер Д. и др. Применение ультразвука в
медицине: Физические основы: Пер. с англ. / Под ред. Хилла Κ. — М.:
Мир, 1989. — 568 с.
2. Технические методы лечебных воздействий. Ультразвуковая и лазерная
физиотерапия: учеб. Пособие/ К.В.Зайченко, Л.А.Кулыгина,
Б.С.Гуревич, О.В.Кривохижина. – СПб.: ГУАП, 2011. – 110 с.
3. Шипулло Μ.Г. Практическое руководство по ультразвуковой
диагностике. Кн. 1. — М.: Высш. школа, 1995. — 240 с.
4. Олти Дж., Хоуи Э., Вульстенхульм С. и др. Ультразвуковое
исследование / пер. с англ. под ред. В.А. Сандрикова. — М.: ГЭОТАРМедиа, 2010. — 256 с.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/База_знаний
6. Медицинская информатика: учеб. для студ. высш. учеб. заведений /
Б.А. Кобринский, Т.В. Зарубина. – М.: Издательский центр
"Академия", 2009. – 192 с.
7. Гусев С.Д. Медицинская информатика. Учебное пособие. –
Красноярск: Издательство, ООО "Версо", 2009. – 464 с.
8. http://www.lins.ru
86
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Классификация датчиков по областям медицинского применения
1. Универсальные датчики для наружного обследования (abdominal probe).
Универсальные датчики применяются для обследования абдоминальной
области (области живота) и органов малого таза у взрослых и детей.
Абдоминальные органы это селезенка, желудок, кишечник с аппендиксом,
печень, желчный пузырь, поджелудочная железа, почки, мочеточники и
мочевой пузырь. Внутренние органы половой сферы также относятся к
абдоминальной области. В основном в качестве универсальных используются конвексные датчики с рабочей частотой 3,5 МГц (для взрослых) или 5
МГц (для педиатрии), реже 2,5 МГц (для глубоко расположенных органов).
Угловой размер сектора сканирования: 40°-90° (реже - до 115°), длина дуги
рабочей поверхности - 36-72 мм.
До недавнего времени в качестве универсальных широко применялись
линейные датчики с рабочей частотой 3,5 (реже 5) МГц и длиной рабочей
части от 64 до 125 мм (большие размеры были особенно популярны в
акушерстве для наблюдения плода). Сейчас отдается предпочтение конвексным датчикам. В базовой комплектации практически любого прибора чаще
всего указывается конвексный датчик 3,5 МГц/60°/60 мм или близкий ему по
характеристикам.
2. Датчики для поверхностно расположенных органов (small parts probe).
Применяются для исследования неглубоко расположенных малых органов и
структур (например, щитовидной железы, периферических сосудов, суставов
и т.д.). Рабочая частота - 7,5 МГц, иногда 5 или 10 МГц. Тип датчика линейный размером 29-50 мм, реже конвексный, микроконвексный или
секторный механический с водной насадкой (рис. 2.16, б) с длиной дуги 2548 мм.
87
3. Кардиологические датчики (cardiac probe). Для исследования сердца
используются датчики секторного типа, что связано с особенностью
наблюдения через межреберную щель. Применяются датчики механического
сканирования (одноэлементные или с кольцевой решеткой) и фазированные
электронные. Рабочая частота - 3,5 или 5 МГц. Иногда для кардиологии
используются микроконвексные датчики с частотой 3,5 (5) МГц и радиусом
кривизны от 10 до 20 мм.
В последнее время для наблюдения сердца в приборах высокого класса с
цветовым допплеровским картированием применяется чреспищеводный
(трансэзофагеальный) датчик.
4. Датчики для педиатрии (pediatric probes). Для педиатрии используются
те же датчики, что и для взрослых, но только с большей частотой (5 или 7,5
МГц), что позволяет получить более высокое качество изображения. Это
возможно благодаря малым размерам пациентов. В педиатрии применяются
и специальные датчики. Например, для обследования головного мозга
новорожденных
через
родничок
используется
секторный
или
микроконвексный датчик с частотой 5 или 6 МГц (neonatal probe).
5. Внутриполостные датчики (intracavitary probes). Существует большое
разнообразие внутриполостных датчиков, которые отличаются между собой
по областям медицинского применения.
1.
Трансвагинальные
(интравагинальные)
датчики
(transvaginal
or
endovaginal probe). Как правило, Трансвагинальные датчики бывают
секторного механического или микроконвексного типа с углом обзора от
90° до 270°. Ось сектора обычно расположена под некоторым углом
относительно оси датчика. Рабочая частота 5, 6 или 7,5 МГц.
2.
Трансректальные датчики (transrectal or endorectal probe). Датчики в
основном применяются для диагностики простатита. Имеется несколько
типов таких датчиков. В одних используется секторное механическое
сканирование
в
круговом
(360°)
88
секторе,
при
этом
плоскость
сканирования перпендикулярна оси датчика. В других используется
линейный УЗ преобразователь, конструктивно располагаемый вдоль оси
датчика. В третьих применяется конвексный УЗ преобразователь с
плоскостью обзора, проходящей через ось датчика. Иногда используются
биплановые ректальные датчики. Рабочая частота трансректальных
датчиков - 7,5 МГц (реже 4 и 5 МГц). Специфическая особенность этих
датчиков - наличие канала подвода воды для заполнения одеваемого на
рабочую часть резинового мешочка. Заполнение его водой осуществляется после введения датчика в область исследования и необходимо для
того, чтобы обеспечить акустический контакт со стенками прямой
кишки.
3. Интраоперационные датчики (intraoperative probe). Датчики вводятся
в операционное поле, поэтому выполняются очень компактными. Как
правило, в датчиках применяются линейные преобразователи длиной
от 38 до 64 мм. Иногда применяются конвексные УЗ преобразователи с
большим радиусом кривизны. Рабочая частота 5 или 7,5 МГц. К
интраоперационным относятся конвексные, надеваемые на палец
датчики (finger type probes), нейрохирургические датчики и
лапароскопические датчики (жесткие или гибкие). Рабочая частота
этих датчиков обычно 7,5 МГц.
4. Трансуретральные датчики (transurethral probes). Датчики малого
диаметра, вводимые через уретру в мочевой пузырь, использующие
механическое секторное или круговое (360°) сканирование. Рабочая
частота 7,5 МГц.
5. Чреспищеводные датчики (transesophageal probes). Этот вид датчика
используется для наблюдения сердца со стороны пищевода.
Сконструирован по тому же принципу, что и гибкий эндоскоп, с
аналогичной системой управления ракурсом наблюдения. Применяется
секторное механическое, конвексное или фазированное секторное
сканирование. Рабочая частота 5 МГц.
89
6. Внутрисосудистые датчики (intravascular probes). Используются для
инвазивного обследования сосудов. Сканирование - секторное
механическое (обычно круговое - 360°). Рабочая частота 10 МГц и
более.
Рисунок П1.1 – Специализированные датчики: основные типы
внутриполостных ультразвуковых датчиков: 1 – трансвагинальный,
2 – транспищеводный, 3 – внутрисосудистый датчик. 4 - биопсийный
ультразвуковой датчик: 5 – биопсийный адаптер, 6 – биопсийная игла
6. Биопсийные или пункционные датчики (biopsy or puncture probes).
Используются для точного наведения биопсийных или пункционных игл. С
этой целью специально сконструированы датчики, в которых игла может
проходить через отверстие (или щель) в рабочей поверхности (апертуре).
Надо сказать, что трансвагинальный и трансректальный датчики очень часто
90
конструктивно выполняются так, чтобы обеспечивать биопсию, и поэтому
тоже могут считаться биопсийными.
Вследствие технологической сложности выполнения специализированных биопсийных датчиков и, следовательно, их более высокой стоимости
большинство фирм использует так называемые биопсийные адаптеры приспособления для наведения биопсийных игл. Адаптер может жестко
крепиться на корпусе обычного датчика и является съемным.
7. Узкоспециализированные датчики. Большинство датчиков, о которых
говорилось выше, имеют достаточно широкий спектр применения. В то же
время можно выделить группу датчиков узкого применения, и о них следует
сказать особо.
1.
Офтальмологические датчики (ophtalmology probes). Датчики
используются в специальных УЗ диагностических приборах для
офтальмологии и позволяют получать изображения внутренних структур
глаза. Сканирование чаще всего механическое секторное или конвексное.
Рабочая частота 10 МГц и более. Сектор сканирования 30°-45°.
2.
Датчики для транскраниальных исследований (transcranial probes).
Применяются для обследования мозга через кости черепа (в височной
или затылочной области). Обычно это датчики с одноэлементным УЗ
преобразователем и без пространственного сканирования. Рабочая
частота 2 МГц (иногда 1 МГц). В современных сложных системах сейчас
начали применяться сканирующие транскраниальные датчики.
3. Датчики для диагностики синуситов, фронтитов и гайморитов.
Используются в соответствующих узкоспециализированных УЗ
приборах (типа "Синускан") для обследования носовых и лобных
пазух. Датчики без пространственного сканирования. Рабочая частота 3
МГц.
4. Датчики для ветеринарии (veterinary probes). Используются в
специальных УЗ приборах для ветеринарии или в универсальных УЗ
диагностических приборах.
91
8. Широкополосные и многочастотные датчики. В современных сложных
приборах все большее применение находят широкополосные датчики. Эти
датчики
конструктивно
оформлены
аналогично
обычным
датчикам,
рассмотренным выше, и отличаются от них тем, что используют
широкополосный УЗ преобразователь, т.е. датчик с широкой полосой
рабочих частот.
В широкополосных датчиках относительная ширина полосы может
превышать 1, что приводит к существенному улучшению разрешающей
способности, особенно в ближней и средней зонах по глубине. На больших
глубинах расширение полосы сказывается меньше из-за более сильного
поглощения с глубиной высокочастотных составляющих сигнала.
В некоторых приборах применяется переключение частот работы
широкополосного датчика - тогда датчик работает на различных переклюючаемых центральных частотах в зависимости от того, какая глубина
интересует исследователя. Датчик в этом случае называется многочастотным, а относительная ширина полосы на каждой из частот такая же, как в
обычном датчике. Чаще всего применяются двухчастотные и трехчастотные
датчики. Типичные примеры комбинаций частот в двухчастотных датчиках:
3-5, 4-7 или 5-10 МГц.
9. Допплеровские датчики. Датчики применяются только для получения
информации о скорости или спектре скоростей кровотока в сосудах.
10. Датчики для получения трехмерных изображений. Специальные
датчики для получения 3D (трехмерных) изображений используются редко.
Чаще применяются обычные датчики двухмерного изображения вместе со
специальными приспособлениями, обеспечивающими сканирование по
третьей координате.
92
Приложение 2
Классификация ультразвуковых сканеров
Естественно систематизировать УЗИ аппараты 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.
1. Ультразвуковые сканеры. Приборы, предназначенные прежде всего для
получения двухмерного черно-белого акустического изображения.
Основные режимы работы (modes):
- В (или 2D) - двухмерное изображение;
- М (или ТМ) - одномерная яркостная эхограмма с разверткой во времени.
Дополнительные режимы: В + В, В + М.
Пример УЗ сканера: ALOKA SSD-500, SSD-900.
2. УЗИ аппараты со спектральным доплером. Иногда они называются
дуплексными приборами. Отличаются от обычных ультразвуковых сканеров
тем, что дополнительно имеют возможность оценивать спектр скоростей
кровотока доплеровским методом.
Основные режимы работы:
- B (2D);
- М (ТМ);
- D - спектральный анализ скоростей кровотока с использованием импульсно
волнового доплера (PW) и в ряде случаев непрерывно волнового доплера
(CW).
Дополнительные режимы: В + В, В + М, В + D (дуплексный).
93
Пример УЗ сканера: ALOKA SSD-1100, АЛОКА SSD-1400, SSD-1700.
3. Ультразвуковые системы с цветовым допплеровским картированием.
Иногда они называются приборами с цветовым доплером. Это приборы с
максимальным количеством функций. Помимо режимов, которые имеются в
сканерах
со
спектральным
доплером,
этот
класс
приборов
имеет
возможность отображения двухмерного распределения скоростей кровотока,
выделяемых цветом на двухмерном серошкальном изображении тканей.
Основные режимы работы:
- B (2D);
- М (ТМ);
- D (PW и CW);
- CFM - цветовое допплеровское картирование кровотока.
Дополнительные режимы: В + В, В + М, В + D (дуплексный), В + D + CFM
(триплексный).
Помимо перечисленных могут использоваться специальные режимы:
- PD - энергетический доплер;
- TD - тканевый доплер;
- 3D - трехмерное изображение;
- тканевая (нативная) гармоника.
Последняя из перечисленных технологий
гармоника»
«тканевая (нативная)
- новейшая технология выделения 2-й гармонической
составляющей колебаний внутренних органов, вызванных прохождением
сквозь тело базового ультразвукового импульса. Полезным считается сигнал,
полученный при вычитании базовой составляющей из отраженного сигнала.
Применение 2-й гармоники целесообразно при ультразвуковом сканировании
сквозь ткани, интенсивно поглощающие 1-ю (базовую) гармонику. Данная
технология предполагает использование широкополосных датчиков и
приемного тракта повышенной чувствительности. Улучшается качество
94
изображения,
линейное
и
контрастное
разрешение
у
пациентов
с
повышенным весом.
К
группе
специализированных
ультразвуковых
диагностических
приборов относятся приборы достаточно ограниченного медицинского
применения.
Офтальмологические ультразвуковые приборы (эхоофтальмометры). Это
диагностические приборы для визуализации структур глаза, использующие
двухмерное и (или) одномерное изображение.
Основные режимы работы:
- B(2D);
- А - одномерная эхограмма с отображением амплитуд сигналов на
различных глубинах.
- D (PW и CW).
Фетальные мониторы. Ультразвуковые приборы, предназначенные для
измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) плода допплеровским
методом.
Основной режим работы: измерение ЧСС плода и статистическая оценка
параметров изменения ЧСС.
УЗИ аппараты для внутрисосудистых исследований. Редко выпускаемые
приборы, в которых используются специальные датчики для инвазивного
обследования сосудов, аналогичные тем, которые иногда входят в состав
универсальных ультразвуковых сканеров.
Основной режим работы: В (2D).
Приборы для транскраниальных обследований (эхоэнцефалоскопы).
Применяются для обследования мозга (обычно через височную область
черепа). Основные режимы работы ALOKA:
- А - одномерная амплитудная эхограмма;
95
- D (PW) - дополнительно к режиму А.
Приборы для обследования носовых и лобных пазух (синускопы).
Основной режим работы: А - одномерная амплитудная эхограмма.
Приборы для ветеринарии. Специально для ветеринарии приборы
выпускаются редко. Обычно используются универсальные приборы со
специализированными датчиками для ветеринарии
Основные режимы работы:
- -B(2D);
- М (ТМ).
Иногда могут использоваться режимы D и CFM.
Приборы для литотрипсии. Это приборы, входящие в состав
экстракорпоральных литотрипторов и обеспечивающие наведение фокуса
ударного воздействия на конкременты, а также контроль за процессом
разрушения конкрементов. Основные режимы работы:
-B(2D);
-В+В (В/В).
96
Приложение 3
Информационное описание симптоматики основных
патологических процессов
Увеличение размеров всего органа или какого-либо его отдела – один из
наиболее частых, но неспецифичных признаков воспаления. При диффузном
поражении паренхима в зависимости от преобладания экссудативных или
инфильтративных процессов может быть пониженной или повышенной
эхогенности с низкой степенью дифференцировки структуры. Выраженное
воспаление иногда сопровождается размытыми контурами и "ореолом
разряжения" вокруг пораженного органа за счет отека окружающей
клетчатки (рис. 2.27). Регистрируется диффузно увеличенная поджелудочная
железа с нечеткими контурами, неоднородной ”смазанной” структурой
паренхимы повышенной эхогенности и гипоэхогенной зоной по периметру
(”ореолом разряжения”).
Паренхима в медицине - совокупность основных функционирующих
элементов внутреннего органа, ограниченная соединительнотканной стромой
и капсулой (например, эпителий печени, почек, легких и др.). Строма —
основа (или остов) органа животного организма, состоящая из неоформленной соединительной ткани (интерстиция), в которой расположены
специфические элементы органа, имеются способные к размножению клетки,
а также волокнистые структуры, обусловливающие ее опорное значение. В
строме проходят кровеносные и лимфатические сосуды.
Рисунок П3.1 - Ультразвуковая картина при остром панкреатите
97
При очаговом процессе паренхима органа приобретает пестрый вид,
получивший название "изъеденной молью". Участки воспаления имеют
неправильную и различную по величине форму, неоднородную структуру
пониженной эхогенности, нечеткие "размытые" контуры (рис. П3.2).
Рисунок П3.2 - Ультразвуковая картина при остром гепатите
Эхографическое изображение гнойного воспалительного процесса
в инфильтративной стадии практически не отличается от катарального
воспаления. Инфильтрат — скопление в тканях организма клеточных
элементов с примесью крови и лимфы. Наиболее часто встречаются
воспалительный и опухолевый инфильтрат. При расплавлении ткани и
появлении гноя возникает образование неправильной формы с неровными
контурами, содержащее множественные нежные, хаотически разбросанные
внутренние структуры. За счет зоны реактивного воспаления вокруг этого
образования имеется кайма пониженной эхогенности с нечетко очерченными
границами. С образованием капсулы абсцесс приобретает округлую или
овальную форму с более ровными контурами. Внутри абсцесса часто
наблюдаются тонкие перегородки, мелкодисперсная взвесь или уровень
расслоения жидкой части и взвеси. Для стадии инкапсуляции характерны
также признаки объемных полостных образований (рис. П3.3).
98
Рисунок П3.3 - Ультразвуковая картина при абсцессе. Регистрируется
объемное полостное образование округлой формы с выраженными стенками
с мелкодисперсной взвесью в просвете
Для дифференциальной диагностики с истинными и другими ложными
кистами рекомендуется определять симптом баллотирования – легкое
поколачивание
датчиком
в
области
исследования,
приводящее
к
взбаламучиванию отстоявшегося осадка.
Хронический воспалительный процесс в стадии ремиссии, как
правило, не дает какой-либо значимой УЗ симптоматики и может выявляться
лишь при обострении заболевания и характеризоваться признаками острого
воспаления или при переходе в дегенеративно-дистрофические изменения.
Дегенеративно-дистрофический процесс характеризуют следующие
симптомы:
• увеличение или уменьшение размеров органа (локальное или общее),
• контуры неровные (с втяжениями, бугристые и т.д.),
• повышение эхогенности структур,
• фиброз и кальциноз,
• нарушение функции.
При дегенеративных изменениях размеры органа имеют тенденцию к
уменьшению за счет истончения паренхимы и фиброзного перерождения
внутренних структур. В отличие от врожденного недоразвития (гипоплазии)
при
дегенеративно-дистрофическом
процессе
99
отсутствует
нормальное
соотношение
внутренних
структур,
контуры
бугристые
за
счет
формирования фиброзных втяжений и очагов регенерации.
Фиброз на сонограммах проявляется в виде участков выраженной
эхогенности, величина которых может значительно варьировать: от мелких
включений,
образующих
крупнозернистую
паренхимы
внутренних
органов,
до
неравномерную
значительных
структуру
образований,
захватывающих часть органа или весь анатомический отдел. Обычно, фиброз
сопровождается деформацией органа и (или)
его внутренних структур, в
результате чего, контуры и форма пораженного органа становятся
неровными, "бугристыми". Подвижные анатомические структуры теряют
эластичность и полный объем экскурсии (рис. П3.4).
Рисунок П3.4 - Ультразвуковая картина при циррозе печени.
Регистрируются выраженные изменения паренхима печени (слева) по
сравнению с неизмененной селезенкой (справа). Паренхима печени
крупнозернистая, повышенной эхогенности
Кальциноз регистрируется как образования очень высокой эхогенности с гомогенной структурой и локализацией непосредственно в ткани.
Вторым важным признаком является "акустическая тень", располагающаяся
позади кальцинатов (рис. П3.5). По мере организации тромба эхогенность
образования
возрастает
вплоть
до
формирования
неоднородной структуры с плотными включениями.
100
гиперэхогенной
Рисунок П3.5 - Ультразвуковая картина при кальцинозе печени.
В паренхиме печени регистрируется множественные гиперэхогенные
включения с ”акустической тенью”
Травматическим повреждениям свойственны следующие симптомы:
• деконфигурация органа,
• нарушение целостности структур,
• кровоизлияние (гематома),
• рубцовые изменения в виде фиброзных тяжей.
Деконфигурация органа происходит в результате полного или частичного разрыва органа и его сдавления скопившейся кровью (гематомой).
Свежее кровоизлияние сонографически выглядит в виде гипоэхогенного
образования неправильной формы и неоднородной структуры (рис. П3.6).
Рисунок П3.6 - Ультразвуковая картина при травматическом повреждении
почки. Регистрируется деконфигурация органа за счет полного отрыва
верхнего полюса (выделено на правом изображении) и гипоэхогенное
образование неправильной формы (гематома)
101
По мере организации тромба эхогенность образования возрастает
вплоть до формирования гиперэхогенной неоднородной структуры с плотными включениями.
Конкременты диагностируются с высоким процентом выявляемости
(до 98%) как:
• объемные образования (ОО) в просвете полостной структуры
• с высокой эхогенностью,
• ”акустической тенью”,
• смещаемостью при изменении положения пациента (рис. П3.7).
Рисунок П3.7 - Ультразвуковая картина при желчнокаменной болезни.
В просвете желчного пузыря регистрируются множественные
гиперэхогенные образования с ”акустической тенью”
Эхографическая картина при некрозе носит характер изменений,
соответствующих гнойному воспалению, но в отличие от последнего не
выявляется капсула (рис. П3.8). В последующем при образовании соединительной ткани зоны инфаркта начинают выявляться образования повышенной эхогенности неправильной формы или принимают вид четких эхопозитивных полос.
102
Рисунок П3.8 - Ультразвуковая картина тотального инфаркта селезенки.
Селезенка представлена в виде больших размеров образования овоидной
формы, с четкими контурами и гетерогенной внутренней эхоструктурой за
счет чередования участков средней, высокой и низкой эхогенности
различной формы и размера
Объемные образования создают более благоприятные акустические
условия для их ультразвуковой диагностики, чем диффузные поражения
паренхиматозных органов. Все объемные образования можно разделить на
две больших группы: 1) кисты, 2) опухоли.
Кисты, в свою очередь, различаются по этиологии и бывают
истинными и ложными.
Ложные, в свою очередь, делятся на:
- паразитарные
- воспалительные (абсцесс)
- травматические (гематома)
- ретенционные (закупорка протока)
- секреторные (коллоидные, фолликулярные, лютеиновые и т.д.)
- некротические (инфаркт)
- опухолевые (распад, рак-киста)
Как правило, для всех кист характерна правильная округлая форма с
четкими и ровными контурами, обусловленная наличием капсулы. Внутренняя структура полости вариабельна по гомогенности и эхогенности. Изобра103
жение кисты сопровождается эффектом дистального усиления, свидетельствующем о жидкостном характере образования. При больших кистах может
происходить деформация органа и (или) его внутренних структур (рис. П3.9).
Паразитарные кисты в основном представлены эхинококкозом.
Эхинококковые кисты наиболее часто имеют вид однокамерных единичных
или множественных образований, лишенных внутренних структур.
Рисунок П3.9 - Ультразвуковая картина кисты печени.
Регистрируется большое анэхогенное объемное образование с однородной
структурой, деформирующее контур печени
Иногда регистрируются множественные дочерние кисты наподобие
пчелиных сот (рис. П3.10), признаки кальциноза капсулы и внутренних
структур, мелкодисперсная взвесь или отдельные хлопьевидные включения.
Рисунок П3.10 - Ультразвуковая картина эхинококковой кисты печени.
Регистрируется четко контурируемые округлой формы анэхогенные
образования с множественными дочерними кистами
104
Секреторные кисты обычно на сонограмме выглядят как истинные. В
большинстве случаев содержат мелкодисперсную взвесь, не перемещаемую
после перкуссии, и имеют доброкачественный характер течения (рис. П3.11).
Рисунок П3.11. Ультразвуковая картина коллоидной кисты щитовидной
железы. Регистрируется анэхогенное объемное образование с внутренними
дисперсными включениями
Сонографические
признаки
опухолей
в
большинстве
случаев
недостаточно специфичны, т.к. носят разнообразный характер. Различают
следующие сонографические типы опухолей:
• По распространенности: 1) очаговый, 2) диффузный (гетероэхогенный сплошной или сливающиеся узлы без четко выявляемой границы
(рис. 2.38). Наличие множественных мелких очажков в узле получило
название симптома "снежной бури".
• По эхогенности: 1) гиперэхогенный, 2) изоэхогенный с "халло" или
со смещением и/или сдавлением сосудов по цветному допплеровскому
картированию (рис. 2.39), 3) гипоэхогенный, 4) анэхогенный (первичнополостной или рак-киста), 5) смешанный,
• По структуре:1) однородный, 2) неоднородный – с распадом,
кистозно-солидный, с кальцинозом и т.д. (рис. П3.14).
105
• По контурам: 1) четкие, 2) инкапсулированные (рис.П3.15), 3) типа
"бычий глаз", 4) слабо очерченные с признаками инвазии, 5) смешанные.
Рисунок П3.12. Ультразвуковая картина объемного образования с
диффузным распространением в паренхиме печени. Регистрируется
объемное образование гетероэхогенной структуры с гиперэхогенными
мелкоочаговыми включениями, занимающее всю правую долю печени
Рисунок П3.13. Ультразвуковая картина аденомы щитовидной железы.
Регистрируется изоэхогенное объемное образование, окруженное
гипоэхогенным ободком – ”халло”
106
Рисунок П3.14 - Ультразвуковая картина макрофоликулярной аденомы
щитовидной железы. Регистрируется объемное образование с кистозносолидной структурой
Рисунок П3.15 - Ультразвуковая картина инкапсулированного объемного
образования. Регистрируется симптом ”прерывистости” капсулы – признак
инвазии
Все достаточно большие объемные образования могут сопровождаться:
• локальным или общим увеличением органа,
• неровностью контуров органа (выпячивание),
• смещением внутренних структур,
• сдавлением протоков и сосудов.
107
Дифференциальная диагностика доброкачественных и злокачественных опухолей по данным УЗИ затруднена и основана на определении
косвенных признаков озлокачествления опухолевого узла:
• прерывистость "халло",
• нарушение целостности контуров органа опухолевой тканью (см. рис.
П3.13),
• очаги дегенерации в центре узла,
• наличие тромбов метастатического происхождения,
• увеличение регионарных лимфоузлов,
• наличие метастазов в других органах.
При подозрении на озлокачествление опухолевого узла основным
дифференциально-диагностическим критерием является гистологический
анализ материала, взятого с помощью тонкоигольной биопсии.
Для метастатических узлов характерно (рис. П3.16):
• множественность узлов,
• появление образований смешанного типа (наличие одновременно
опухолевых узлов с высокой и низкой эхогенностью).
Рисунок П3.16 - Ультразвуковая картина метастатического поражения
печени. Регистрируются множественные объемные образования с
изоэхогенной структурой, окруженные ”халло”
108
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 097 Кб
Теги
ivanovgorelova
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа