При распространении ультразвуковой волны часть энергии рассеивается и поглощается биосредой. Изменение интенсивности волны описывается выражением J(x) = J0 e-γх, где J0 – интенсивность падающей волны, х – путь, пройденный волной в среде, γ – коэффициент поглощения акустической волны. Коэффициент γ сложным образом зависит от вязкоупругих и тепловых свойств среды, а также прямо пропорционален квадрату частоты ультразвуковой волны. Поэтому, чем выше частота ультразвуковых колебаний, тем на меньшую глубину они проникают.
Разрешающая способность ультразвуковых исследований напрямую зависит от длины волны акустических колебаний в биосредах. Если взять среднюю скорость звука в мягких тканях равной 1540 м/с (+ 6%), то для частот 1МГц, 10 МГц и 1ГГц длины волн будут, соответственно, 1,5 мм, 0,15 мм и 1,5 мкм. Это позволяет применять ультразвуковые колебания для исследований на уровне не только органов и тканей, но и клеточных структур.
В зависимости от целей исследований решают компромиссную задачу между глубиной проникновения ультразвука и разрешающей способностью. Считают оптимальными следующие диапазоны частот: 20…300 кГц – для подводной биолокации; 0,8…15 МГц – для ультразвуковой диагностики и терапии; 12 МГц…1 ГГц – для акустической микроскопии.
10.1. Эхоимпульсные методы исследований (эхография)
Эхоимпульсные методы исследований основаны на принципе излучения зондирующего импульса ультразвука и приеме сигналов, отраженных от поверхностей раздела тканевых сред, обладающих различными акустическими свойствами (акустическим импедансом). Поскольку информация содержится в отраженном от многих слоев сигнале – акустическом эхе, то используется и термин “эхография” для обозначения этой группы методов.
Различают 4 режима (разновидности) эхографии.
А-режим – отображение одномерной зависимости амплитуды эхосигнала от времени (рис. 10.1). Огибающая А-эхограммы отображается на регистрирующем устройстве. А-режим применяется для обнаружения и локализации патологических неоднородностей в мягких тканях. Широко используется в офтальмологии, онкологии, при исследованиях головного мозга.
М (или МТ)-режим – отображение временных изменений А-эхограммы. Изображение формируется в виде растра, в котором каждой строке кадра соответствует своя А-эхограмма. Изменение яркости вдоль строки разложения соответствует изменению амплитуды данной А-эхограммы. Принцип формирования изображения в М-режиме показан на рис. 10.2.
Рис. 10.1. Структура сигналов А-эхографии
Рис. 10.2. Структура сигналов М-эхографии
Одним из условий получения изображения в М-режиме является соответствие периода следования зондирующих импульсов периоду строчной развертки. Время формирования одного кадра изображения зависит от n - количества строк в растре. Основное применение М-режима эхографии - это определение количественных характеристик при диагностике работы створок клапанов сердца.
В-режим использует принцип сканирования ультразвуковым лучом исследуемой области в теле пациента. Для обозначения этого режима широко применяется термин "ультразвуковые исследования" (УЗИ). Визуализация внутренних биоструктур на мониторе происходит путем модуляции яркости элементов растра (пикселей) пропорционально амплитудам сигналов А-эхограмм, соответствующих заданным положениям ультразвукового датчика. Кадр изображения формируется за время полного сканирования датчиком исследуемой области.
В современной аппаратуре УЗИ используется несколько способов сканирования. Простое линейное сканирование (рис. 10.3, а) дает высокое качество изображения, но требует большой области доступа (окна) в теле пациента. Последнее обстоятельство препятствует полной визуализации, например, органов грудной клетки. Указанный недостаток устраняет способ простого секторного сканирования (рис. 10.3, б), для которого достаточно малой области доступа. Основной недостаток секторного сканирования – это искажение геометрических размеров на изображении. Сложное сканирование использует преимущества первых двух способов, но требует более сложной обработки информации.
Рис. 10.3. Способы сканирования в УЗИ исследованиях: а – простое линейное сканирование, б – простое секторное сканирование
При скорости сканирования, обеспечивающей формирование изображений не менее 16…30 кадров в секунду, можно наблюдать динамические процессы в организме. В-режим эхографии нашел широкое применение в медицинской диагностике, это эхокардиография, эхоэнцефалография, ультразвуковая диагностика в акушерстве, гинекологии, офтальмологические исследования, полостная интроскопия и др.
С-режим - модификация В-режима, при которой с помощью временного стробирования выделяется определенный временной интервал А-эхограмм, соответствующий отражению ультразвукового сигнала с определенной глубины сканирования. Этот режим соответствует методу ультразвуковой томографии.
В качестве датчиков ультразвуковой диагностической аппаратуры применяются пьезоэлектрические преобразователи. Как правило, такие преобразователи поочередно используются как для излучения зондирующих импульсов, так и для приема отраженного сигнала. Для устранения скачка акустического импеданса на границах раздела сред пьезокерамика - воздух и воздух - поверхность кожи применяют специальные покрытия на излучающую и принимающую части датчика, а на кожу пациента в месте исследования наносят слой специального геля (или увлажняют ее).
В современной аппаратуре УЗИ используются многоэлементные матричные датчики. Их конструкция позволяет осуществлять электронное сканирование исследуемой области подобно тому, как это делается в СВЧ радиолокации. Конструкция датчиков и выбор рабочей частоты ультразвукового сигнала также зависят от области исследования (акустических свойств биоткани, глубины зондирования, требуемого пространственного разрешения).
Аппаратура для эхографии специализированного назначения реализует только один из режимов – А или М. Универсальные УЗИ предусматривают работу в любом из указанных режимов, используют комплект специализированных датчиков и программное обеспечение для обработки информации на ЭВМ. Упрощенная структура аппарата УЗИ показана на рис. 10.4.