МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

МЕТОДЫУЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ

 

1. Эхография

2. Доплерография

3. Методы получения изображения

 

Ультразвуковая диагностика.

В ультразвуковой диагностике используется как отражение волн (эхо) от неподвижных объектов (частота волны не изменяется), так и отражение от подвижных объектов (частота волны изменяется – эффект Доплера).

Поэтому ультразвуковые диагностические методы делятся на эхографические и доплерографические.

1. ЭХОГРАФИЯ

Эхография - это метод исследования структуры и функции органов и получения изображения среза органов, соответствующего их реальным размерам и состоянию.

В эхографии различают эхолокацию и ультразвуковое сканирование.

Эхолокация - это метод регистрации интенсивности отражённого сигнала (эхо) от границы раздела фаз.

Общие принципы формирования эхо сигналов от границ исследуемых тканей и органов схожи с известными принципами радиолокации и гидролокации. Исследуемый объект облучается короткими УЗ импульсами, энергия которых сконцентрирована вдоль узкого луча.

Импульс, распространяясь в среде от источника УЗ, дойдя до границы раздела сред с разными волновыми сопротивлениями Z, отражается от границы и попадает на приёмник УЗ (датчик). Энергия отраженного импульса тем больше, чем больше разность волновых сопротивлений этих сред. Зная скорость распространения УЗ импульса (в биологических тканях, в среднем, 1540 м/с) и время, за которое импульс прошел расстояние до границы сред и обратно, можно вычислить расстояние d от источника УЗ до этой границы:

 

D = 1540 t/2

 

Это соотношение лежит в основе УЗ визуализации объектов при эхолокации.

Фактически скорость УЗ варьируется для различных тканей в пределах +- 5%. Поэтому, с точностью 5% можно определять расстояния до границ объекта и с точностью 10% протяжённость исследуемого объекта вдоль луча.

При эхолокации излучаются только короткие импульсы. В медицинской УЗИ аппаратуре генератор УЗ работает в импульсном режиме с частотой 2,5 - 4,5 МГц.

Например, в эхокардиографии используют ультразвуковые импульсы длительностью около 1 микросекунды. Датчик работает в режиме излучения менее 1% времени, а остальное время в режиме приёма. При этом пациент получает минимальные дозы УЗ облучения, обеспечивающие безопасный уровень воздействия на ткани.

Ультразвуковое сканирование

Для получения изображения органов используется ультразвуковое сканирование.

В ультразвуковой диагностике используется три типа сканирования: параллельное (параллельное распространение УЗ волн), секторное (распространение УЗ волн в виде расходящегося пучка) и сложное (при движении или покачивании датчика).

Параллельное сканирование

Параллельное сканирование осуществляется с использованием многокристаллических датчиков, обеспечивающих параллельное распространение УЗ колебаний. При исследовании органов брюшной полости быстрее осуществляется поиск необходимых анатомических ориентиров. Такой вид сканирования обеспечивает видение широкого обзорного поля в близкой зоне и высокой плотности акустических линий в дальней зоне.

Секторное сканирование

Секторное сканирование обеспечивает преимущество малой площади контакта с объектом, когда ограничен доступ в исследуемую зону (глаза, сердца, мозга через родничок). Секторное сканирование обеспечивает широкое обзорное поле в дальней зоне.

 

Выпукло секторное сканирование

Выпукло секторное сканирование, являющееся разновидностью секторного, отличается тем, что кристаллы датчика скомпонованы на выпуклой поверхности. Это обеспечивает широкое обзорное поле, при сохранении хорошего обзорного поля в ближней зоне.

 

 

Сложное сканирование

Сложное сканирование осуществляется при движении датчика в направлении, перпендикулярном линии распространения УЗ луча. Поскольку датчик находится в постоянном движении, а экран имеет длительное послесвечение, отражённые импульсы сливаются, формируя изображение сечения обследуемого органа на заданной глубине. При сложном сканировании датчик фиксируют на специальном штативе. Кроме движения датчика по поверхности, осуществляется его покачивание на определенный угол вокруг его оси. При этом обеспечивается увеличение количества воспринимаемой отражённой энергии.

ДОПЛЕРОГРАФИЯ

Доплерография представляет собой метод диагностики, основанный на эффекте Доплера.

Эффект Доплера

В 1842 г. ДОПЛЕР (Допплер - Doppler) Кристиан, австрийский физик и астроном, указал на существование эффекта, названного позже его именем.

Эффект Доплера представляет изменение частоты волны излучённой источником при движении источника или приёмника относительно среды в которой распространяется волна.

В доплерографии это выражается в изменении частоты УЗ волн излучённых неподвижным источником при отражении от движущихся объектов и принятых неподвижным приёмником.

Если генератор излучает ультразвук с частотой ע_Г, а изучаемый объект движется со скоростью V, то, частота УЗ ע_П зарегистрированная приёмником (датчиком) может быть найдена по формуле:

 

ע_П = ע_Г

где V - скорость тела в среде,

С - скорость распространения УЗ волны в среде.

 

Разность частот волн, излучаемых генератором и воспринимаемых приёмником, עд называется доплеровским сдвигом частоты. В медицинских исследованиях доплеровский сдвиг частот рассчитывается по формуле:

ע_д = ע_Г

где V - скорость движения объекта, С - скорость распространения УЗ в среде, ע_Г - исходная частота генератора.

По сдвигу частоты определяется скорость движения исследуемого объекта.

При Доплеровских методах используют как непрерывное излучение, так и импульсные сигналы.

В непрерывном режиме одновременно работают источник и приёмник излучения. Полученный сигнал обрабатывается и определяется скорость движения объекта.

В импульсном режиме также используется один датчик на излучение и приём. Он периодически короткое время работает как излучатель, а в промежутках между излучением, как приемник. Пространственное разрешение достигается благодаря излучению коротких УЗ импульсов.

Доплерография эффективно используется в диагностике кровотока и сердца. При этом определяется зависимость изменения частоты пришедшего сигнала от скорости движения эритроцитов или подвижных тканей сердца.

Если скорость объекта v_об много меньше скорости УЗ волны v_уз, то доплеровский сдвиг частоты F относительно частоты исходной волны f запишется в виде:

 

F= 2fcosθ v_об./v_уз.

 

Здесь θ – угол между направлением потока и направлением УЗ луча (Рис. 4.2.1).

Кровь

Датчик

Рис. 4.2.1

 

Удвоение сдвига частоты получается из-за того, что объекты сперва играют роль движущихся приемников, а затем движущихся излучателей.

Из приведенной формулы также следует, что если объекты движутся навстречу датчикам, то F>0, если от датчиков, то F<0.

Если измерить F, то, зная θ, можно определить скорость движения объекта.

К примеру, если скорость УЗ в ткани равна 1540 м/с, а частота УЗ зондирующего сигнала 5-10 МГц, то скорость кровотока может составлять 1-100 см/с, а доплеровский сдвиг частоты будет составлять 10² -10⁴ Гц, т.е. доплеровский сдвиг частот будет проявляться в звуковом диапазоне частот.

Метод доплерографии используются также для исследования магистральных сосудов головы (транскраниальная доплерография).

 

МЕТОДЫПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Аппаратура для ультразвуковой диагностики в своём составе имеют следующие основные части (Рис. 4.3.1):

Рис. 4.3.1

 

генератор электрических колебаний (1), источник УЗ (2)(датчик), приёмник УЗ (3)(датчик), усилитель (4), преобразователь (5), видеомонитор (6), устройство хранения и записи изображений (7), блок управления и блок питания.

Генератор генерирует электрические сигналы с заданными параметрами (формой, частотой, длительностью, амплитудой, фазой) и подаёт их на излучатель (датчик).

Получаемые датчиком отражённые от исследуемого объекта УЗ волны преобразуются в электрические импульсы, поступающие через усилитель на преобразователь.

Преобразователь обрабатывает полученные сигналы, создавая образы для получения изображений на мониторе и регистрации на различных носителях информации.

Блок управления служит для задания необходимых параметров УЗ исследования.

Блок питания обеспечивает электропитанием всех элементов входящих в состав прибора.

 

В зависимости от способа получения и воспроизведения информации, приборы для эхографической диагностики делятся на три группы:

приборы с одномерной регистрацией типа А, В, и М;

приборы с двумерной регистрацией типа В и М;

приборы с трехмерной регистрацией(3D).

 

 

Одномерная регистрация. А-метод (А - амплитуда).

В А - методе изображение на мониторе (эхограмма) содержит лишь одну пространственную координату вдоль пучка. По оси Х регистрируется время, а по оси У - амплитуда эхосигналов отраженных от всех границ раздела двух сред различной плотности по пути следования луча.

При этом амплитуда УЗ импульсов зависит как от степени поглощения УЗ волны с ростом пройденного расстояния, так и от разности плотностей граничащих сред, в то время как временной промежуток между соседними импульсами всегда прямо пропорционален расстоянию между двумя соседними границами раздела сред.

Эхограммы тканей различного типа различаются количеством импульсов, их расположением и амплитудой. Анализ эхограмм дает информацию о координатах и размерах объекта, но не дает их изображения.

А -метод имеет два варианта: В (от "brightness" - яркость) и М (от "motion", движение).

 

При варианте В отраженные импульсы регистрируются не в виде всплесков, а в виде светящихся точек, яркость которых прямо пропорциональна интенсивности эхосигнала (Рис.4.3.2).

 

 

Рис.4.3.2

 

Вариант М позволяет получить информацию о движущихся структурах.

В М методе на экране осциллоскопа по вертикальной оси высвечиваются точки, находящиеся на различных расстояниях от датчика до различных структур объекта, а по горизонтальной оси - время.

 

 

Датчик при М способе может посылать импульсы с частотой 1 кГц. Это обеспечивает очень высокую частоту смены изображений. Исследование М способом дает представление о движении различных структур объекта, которые пересекаются одним УЗ пучком. Главный недостаток М метода - одномерность.

Описанный метод используется, преимущественно в кардиологии, для анализа динамики движущихся структур сердца

Приборы с индикацией типа А (используются короткие - длительностью порядка 10^-6с УЗ импульсы) применяются в неврологии, нейрохирургии, онкологии, акушерстве, офтальмологии.

Метод одномерной ультразвуковой биолокации применяется в медицине уже более сорока лет, однако в настоящее время он переживает второе рождение. Новый этап развития этого диагностического метода связан с применением современных цифровых технологий получения дополнительных диагностических данных, которые не могли быть получены приборами первого поколения.

Современные диагностические системы, основанные на использовании компьютера, позволяет получать результаты исследования в реальном времени, хранить и обрабатывать данные таким образом, что позволяет увеличить точность и объективность исследований. Появились новые диагностические параметры и методики.

Развитие технологии одномерной ультразвуковой биолокации способствовало появлению новых ультразвуковых методик в эндокринологии (УЗ - остеоденситометрия), офтальмологии (УЗ - офтальмоскопия), отоларингологии (УЗ - синускопия), а появление компьютерных УЗ приборов - эхоэнцефалографов значительно облегчило и повысило точность диагностики многих неврологических заболеваний.

Двумерная регистрация. В-метод.

Режим двумерного изображения(2D), иначе называемый режимом визуализации в реальном масштабе времени, является развитием В-метода. Этот режим используется наиболее часто. Для получения двумерного изображения в реальном времени УЗ луч сканируется в заданной плоскости (в секторе 60-90°) (Рис.4.3.3).

 

 

 

Рис.4.3.3

 

Получаемая совокупность эхо-сигналов преобразуется далее в электрические сигналы, которые обрабатывается ЭВМ и формируется изображение на экране монитора. Определяются границы объекта и его размер. На экране

с памятью получается сечение, состоящее из множества светящихся точек (пикселей), соответствующих эхограммам при различных направлениях луча. Яркостная модуляция точек на экране передает информацию об амплитуде принятых сигналов и позволяет сформировать полутоновое (в серой шкале) изображение.

Весь набор анализируемых интенсивностей эхосигналов соответствует в современных системах 256 оттенкам серого цвета. Белый цвет отражает максимальную интенсивность, а черный – минимальную.

Длительность импульсов, частота повторения и формат изображения взаимозависимы. Частота смены кадров при двумерном исследовании в реальном масштабе времени ограничена снизу не менее чем 20 кадрами в секунду.

На Рис.4.3.4 приведена схема получения изображение быстро движущихся объектов, например элементов сердца в реальном масштабе времени. Наличие в данной схеме многих датчиков увеличивает скорость получения информации о движущимся объекте.

 

 

Рис.4.3.4