1.2. Физические основы узс

Ультра звук – это высокочастотные звуковые или акустические волны, не улавливаемые человеческим ухом. Частота ультразвука более 20 000 циклов в секунду-20кГц, эти волны могут быть преобразованы в лучи и используются для сканирования тканей тела. Для ультразвуковой диагностики и терапии используется диапазон частот от 0,8-16МГц. Средняя скорость распространения ультразвука в мягких тканях составляет 1540 м/с.

Акустические волны представляют собой механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию.

Звуковые волны могут существовать и распространяться в твердых телах, жидкостях или газах. Поэтому акустические колебания могут распространятся во всех биологических тканях, ведь они подобны жидким упругим средам(мягкие ткани), твердым (костные образования и конкременты), или содержать в своем составе газообразные вещества.

Для акустических волн основными переменными являются колебательное смещение частиц упругой среды и давление. Ультразвуковое изображение начинается с механического колебания кристалла, который возбуждается электрическим импульсом-пьезоэлектрический эффект. Один и тот же пьезоэлемент может быть как приемником, так и источником ультразвуковых сигналов.

Различные ткани по разному проводят через себя ультразвук, в то время как одни рассеивают сигнал перед тем как он возвращается к датчику, другие полностью отражают его, это зависит от упругости и плотности среды. Любая среда, в том числе и такни организма, препятствую распространению ультразвука, то есть обладают, акустическим сопротивлением. Коэффициент отражения зависит от разности величин акустического сопротивления прилежащих друг к другу тканей, чем это различие больше, тем больше отражение и естественно больше интенсивность зарегистрированного сигнала, а значит, тем светлее и ярче он будет выглядеть на экране аппарата. Отраженные звуковые сигналы воспринимаются трансдьюсером и усиливаются в ультразвуковом аппарате. Отражение - основное физическое явление, на основе которого получается информация о тканях. Здесь используются те отраженные волны, которые могут быть приняты датчиком, то есть распространяющиеся в сторону обратную волнам, излученным датчиком первоначально. Информацию которую получаем с помощью ультразвуковых отраженных волн зависит от ряда физических явлений, которые сопровождаются распространением ультразвука в тканях. В числе основных необходимо назвать следующие. Преломление – изменения направления волн при переходе из одной среды в другую, что может приводить к искажению изображения. Рассеяние – изменение направления ультразвуковых волн, обусловленное неоднородностью биологических сред, что способствует преломлению и отражению. Поглощение – переход энергии волн в другие виды энергии, что вызывается вязкостью среды. Поглощение, отражение и рассеяние ультразвуковых волн являются причинными затухания, которое характеризует уменьшение энергии волн при распространении и существенным образом влияет на получаемое изображение. При проведении УЗС стоит помнить еще о таком явлении как реверберация – появление добавочного изображения на расстоянии, вдвое больше от истинного. В основе этого феномена лежит повторное отражение части воспринимаемых волн от поверхности датчика или от границы полого органа, в результате чего волна ультразвука делает повторно свой путь, что вызывает мнимое отражение. Недооценка этого явления может привезти к диагностическим ошибкам.[Пальмер 2000,с.334; Руководство по ультразвуковой диагностике с.3-12]

При работе с любыми сканерами необходимо добиваться сбалансированного изображения для того что бы получать разные отражения от тканей на различной глубине. Качество получаемого изображении зависит от технического уровня прибора, чем сложнее и совершеннее прибор, тем выше качество проводящейся диагностики. Одним из основным параметров является максимальное число приемных и передающих каналов в электронном блоке прибора, чем больше число каналов, тем больше чувствительность и разрешающая способность. Для этого ультразвуковые аппараты имеют устройства, изменяющие общую чувствительность в той же степени, в какой происходит затухание отраженных эхосигналов с различной глубины. При возвращении эхосигналов к датчику становится возможным двухмерное преобразование изображения всех тканей, через которые прошел ультразвуковой луч. Для отображения акустического изображения и служебной информации в УЗ сканерах обычно используется телевизионный монитор черно-белого изображения. Наиболее мощные отраженные сигналы выглядят на экране как яркие белые точки. Ультразвуковые волны генерируются пьезоэлектрическими элементами датчика, которые преобразуют электрические сигналы в механические волны.

Что касается исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, то используется частота 2,5-3,5МГц.[Шмидт.Г. 2009 с.560; Ультразвуковая диагностика практическое руководство с.14-15]

Ультразвук может быть представлен разными режимами: 1. А-режим. Это самый простой вид отображаемой информации. Данные отображаются в виде одномерного изображения, где первая координата - амплитуда отраженного сигнала от границ сред с разным акустическим сопротивлением, а вторая расстояние до этой границы. Сама структура не изображается в этом режиме.

2. В-режим. Из всех способов получения диагностической информации о биологических структурах с помощью ультразвука наибольшую степень распространения имеет способ получения двухмерного изображения. Эхосигналы отображаются в виде ярких точек, показывающие положение отражающей структуры. Совокупность принятых сигналов позволяет построить акустическое изображение биологических тканей. В этом режиме все ткани, через которые проходит ультразвук отображаются на экране монитора. При быстром чередовании В-срезов можно получить изображение в режиме реального времени, что позволяет оценить морфологическое состояние анатомических структур.

3. Видеомониторное наблюдение. Этот режим дает чередование изображения разных частей тела. При любом движении датчика или изменения положения тела изображение меняется, тем самым происходит отображения в реальном времени. Существует, так же возможность остановить изображения для проведения измерений или с целью изучить подробнее изображение того или иного органа.

4. М-режим. Одномерное изображение используется для регистрации процессов в динамике, отображение в виде отметок различной яркости вдоль вертикальной линии на экране так называемые акустические строки. По вертикальной оси откладывается расстояние от датчика до нужной структуры, а по горизонтали – время. С помощью этого режима можно оценивать смещение подвижных структур и измерять изменения взаимного положения различных структур. Этот режим чаще всего используется в кардиологии [Дж.Р.Мартиэр 2012, с.558].

Также одним из ведущих направлений служит доплерографическое ультразвуковое исследование. Сущность эффекта Доплера состоит в том, что при отражении от неподвижного объекта ультразвуковые лучи будут иметь такую же частоту, как и испускаемая датчиком. При этом если отражающий объект будет двигаться по направлению к излучателю, частота отраженного сигнала будет выше, чем излучаемая частота и наоборот.[Осипов 2011, с.316; Ультразвуковые диагностические приборы с.56]

Разница между получаемой и излучаемой частотами, называется Доплеровским сдвигом частот. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости движения, с которой объект приближается или удаляется от него это явление и есть эффект Доплера. Доплерография используется преимущественно для исследования сосудов и кровотока. Для измерения скорости движения крови используют два режима - постоянно волновой и импульсный.

В постоянном режиме доплерографии излучение происходит постоянно и все измерения происходят достаточно точно, но при этом разрешения по глубине и все движения по ходу ультразвукового луча фиксируются одновременно.

В импульсном режиме доплерографии ультразвук проходит импульсами с достаточно хорошим разрешением по глубине и имеет возможность избирательного измерения скорости кровотока в определенном сосуде. Недостатком является невозможность измерять высокие скорости потока в глубинных сосудах. Происходит искажение доплеровского спектра, на изображении появляются артефакты.[ Пальмер 2000,с.334;Руководство по ультразвуковой диагностике с.6-8]

Ультразвуковые сканеры являются сложным медицинским оборудованием, с огромным набором функций. Аппарат ультразвуковой диагностики (УЗ – сканер) - это прибор, предназначенный для получения информации о размерах, формах, структурах и кровоснабжении органов и тканей человека. Ультразвуковые приборы имеют свою непосредственную классификацию. В зависимости от назначения приборы делятся на несколько типов: 1.ЭТС – эхотостомоскопы (приборы, предназначенные для исследования органов брюшной полости, малого таза так же для исследования плода.); 2.ЭКС – эхокардиоскопы (приборы, для исследования сердца); 3.ЭЭС – эхоэнцелоскопы (приборы для исследования головного мозга); 4.ЭОС - эхоофтальмоскопы (приборы для исследования глаза);

В зависимости от времени получения информации подразделяются на некоторые группы:

-1 группа С – статические; - 2 группа Д – динамические; - 3 группа К – комбинированные.

Основой любого ультразвукового прибора диагностики является ультразвуковой преобразователь, который входит в состав датчика. УЗ преобразователь выполняет такие функции как: преобразует электрические сигналы в механические колебание с последующим излучением их в биологические ткани; принимает уз-сигналы, отражаемые неоднородностями в тканях и преобразует эти сигналы обратно в электрические для дальнейшего усиления и обработки; обеспечивает формирование ультразвукового луча нужной формы; выполняет сканирование-перемещение уз луча в обследуемой области с помощью специальных переключателей и управляющих сигналов. И от него в большей степени зависит качество полученной информации. Для определенного режима регистрации используется определенный датчик.

Датчик имеет один или несколько трансдьюсеров, которые излучают ультразвуковые импульсы и принимают отраженные сигналы во время ультразвукового сканирования. Каждый трансдьюсер сфокусирован на разную глубину. Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В механических датчиках сканирование объектов осуществляется с помощью движения излучателя, вращения или покачивания. Недостатками механических датчиков является шум, вибрация, которая получается при движении излучателя, а также низкое разрешение. На данный момент механические датчики устарели и в современных моделях сканеров не используются. В электронных ультразвуковых датчиках сканирование проводится электронным путем. Существует три типа ультразвукового сканирования: линейное, конвексное и секторное. Выбор датчика для определенного исследования проводится с учетом глубины проникновения и характера положения органа.

Линейные датчики используют частоту 5-15МГц. Срезы при использовании таких датчиков имеют форму прямоугольников. Эти Данные датчики используются преимущественно для исследования щитовидных и молочных желез и в акушерстве. Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа с положением самого трансдьюсора на поверхности тела. Линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемого органа с высокой разрешающей способностью, но в то же время глубина сканирования достаточно мала. Недостатком линейных датчиков является не возможность обеспечения равномерного прилегания трасдьюсора к поверхности тела, что приводит к недостоверности получаемого изображения по краям.

Получаемый срез при конвексных датчиках имеет форму промежуточную между формой линейного и секторного датчиков и используются для сканирования всех частей тела, кроме эхокардиографии. Конвексный датчик использует частоту 1,8-7,5МГц. Имеет меньшую длину, чем линейный, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента добиться намного проще. При использовании такого датчика изображение получаемое при сканировании на несколько сантиметров больше чем сам датчик. Для более точного результата врач должен учитывать это расхождение. Из - за меньшей частоты глубина сканирования достигает 20-25см. Чаще всего конвексные датчики используется для исследования глубоко расположенных органов, таких как органы брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы и тазобедренных суставов.

Срез секторного датчика имеет форму веера, почти треугольного. Такой датчик работает на частоте 1,5-5МГц. Имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется обычно в тех случаях, когда нужно получить с маленького участка тела обширное изображение на глубине. Типичным применением секторного датчика является эхокардиография. Преимущества секторного датчика в том, что при использовании небольшого ультразвукового окна и небольшой площади соприкосновения, можно получить хорошее, качественное изображение структур расположенных на расстоянии от датчика[Осипов 2011, с.316].