Физические и технические основы ультразвуковых исследований

диапазона слышимых человеком звуков, то есть свыше 20кГц (20000 Гц)
Они обладают высокой проникающей способностью, относятся (условно) к неионизирующим излучениям, практически не оказывают вредного воздействия на организм

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло.
Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты.
Кавитация — это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна.

Биологические эффекты ультразвука

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека.

Звук — это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии
Изменение давления и плотности в ультразвуковой волне

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность.
Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения — средой, а длина волны — и источником звука, и средой.
Частота — это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду

Параметры звуковых волн

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

— это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц.
Верхняя граница слышимого звука — 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) — является нижней границей ультразвукового диапазона.
В современных ультразвуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше.

Параметры ультразвуковых колебаний

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

среднего значения

Интенсивность ультразвука — это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см)

Параметры ультразвуковых колебаний

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности среды.
Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с — на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов.
Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением:
С = f × λ

Параметры ультразвуковых колебаний

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

трансдьюсером непрерывно (постоянной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный).
Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры.
Частота повторения импульсов — это число импульсов, излучаемых в единицу времени (секунду).
Частота повторения импульсов измеряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц).
Продолжительность импульса — это временная протяженность одного импульса

Понятие и характеристики импульсного ультразвука

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

ультразвукового сигнала, которое называется затуханием.
Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием.
Единицей затухания является децибел (дБ).
Коэффициент затухания — это ослабление ультразвукового сигнала на единицу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты.

Затухание ультразвуковых колебаний

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

бела, то есть десятая часть логарифма безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную.
Децибел — это безразмерная единица, применяемая для измерения отношения некоторых величин — «энергетических» (мощности, энергии, плотности потока мощности и т. п.) или «силовых»  (силы тока, напряжения и т. п.). Иными словами, децибел — это относительная величина.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения.
В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под углом) падения ультразвукового луча.
При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

угол преломления.
Угол падения равен углу отражения. Преломление — это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

только информацию о структурном состоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах.
В основе этой способности лежит эффект Допплера — изменение частоты принимаемого звука при движении относительно среды источника или приемника звука или тела, рассеивающего звук.
Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной.
Следовательно, если источник звука движется с постоянной скоростью, звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая снижение частоты звука

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

сдвиг и рассчитать скорость движения объекта.
Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источник ультразука может быть неподвижным (ультразвуковой датчик), а в качестве отражателя ультразвуковых волн могут выступать движущиеся эритроциты.
Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука).

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

отсутствие существующих структур, неправильное расположение структур, неправильная яркость структур, неправильные очертания структур, неправильные размеры структур.
Реверберация, один из наиболее часто встречающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или более отражающими поверхностями.

Артефакты

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

каждый раз частично возвращаясь к датчику через равные промежутки времени
Результатом этого будет появление на экране монитора несуществующих отражающих поверхностей, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удается изменением положения датчика

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображении.
Зеркальные артефакты — это появление объекта, находящегося по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны

Зеркальные артефакты часто возникают около диафрагмы

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

структурами. Механизм образования акустической тени аналогичен формированию оптической.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

жидкостьсодержащие образования).

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

при падении ультразвукового луча по касательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохождения ультразвука в которой существенно отличается от окружающих тканей

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

реальная скорость распространения ультразвука в той или иной ткани больше или меньше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запрограммирован прибор

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

осевой и боковой разрешающей способностей, мертвой зоны, правильности работы измерителя расстояния, точности регистрации, определение динамического диапазона серой шкалы и т.д.
Для контроля качества работы ультразвуковых приборов используются специальные тест-объекты или тканево-эквивалентные фантомы. Они являются коммерчески доступными, однако в нашей стране мало распространены.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

сканер;
УЗ сканер среднего класса;
УЗ сканер повышенного класса;
УЗ сканер высокого класса
Одним из технических параметров, по которым определяют, к какому классу относится тот или иной ультразвуковой сканер, является максимальное число приемных и передающих каналов. Чем выше число каналов, тем лучше чувствительность и разрешающая способность, которыми обладает ультразвуковой сканер. И тем выше будет качество изображения, которое будет выдавать ультразвуковой сканер

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

цирконат свинца)
2. Усилитель сигнала
3. Система компьютерной обработки, результат в виде:
одномерного изображения (кривой)
двухмерного изображения (картинки)
-цифрового представления
-сочетанного варианта изображений
4. Монитор для вывода информации
5. Устройства архивации изображений

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте.
Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы

Датчики и получение ультразвуковых колебаний

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении.
Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

принципиальная схема представлена на рисунке

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

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

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

или окружности (круговые датчики).
Электронные датчики являются многоэлементными и в зависимости от формы получаемого изображения могут быть секторными, линейными, конвексными (выпуклыми)

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного излучения образует ультразвуковое поле, форма которого меняется в зависимости от расстояния

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

элементов с пошаговым их перемещением вдоль антенной решетки с одновременной фокусировкой

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

с его одновременной фокусировкой

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

Боковая разрешающая способность равна диаметру ультразвукового луча. Осевая разрешающая способность — это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными вдоль направления распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур

Осевая разрешающая способность: чем короче ультразвуковой импульс, тем она лучше.

структур
- высокая разрешающая способность при исследовании
глубокорасположенных органов
легкая идентификация поперечных срезов
2. Секторные (абдоминальные, гинекология, кардиология)
- большое поле зрения при использовании глубоко расположенных
структур
небольшая площадь контакта с поверхностью тела
3. Конвексные (более совершенные в сравнении с секторными)
4. Трапециевидные (мало преимуществ перед конвексными, но есть
недостатки) – устаревшая модель
5. Внутриполостные (вагинальные, ректальные, эндоскопические,
интраоперационные)
6. Датчики для выполнения инвазивных вмешательств

Виды датчиков по назначению

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

для глубокорасположенных структур ( 15 - 20см )
– органов брюшной полости, забрюшинного
пространства, малого таза, сердца
2. Высокочастотные ( 7,5 – 10 - 15МГц ):
для поверхностно-расположенных органов
– щитовидная железа, суставы, глаза
3. Среднечастотные ( 5- 7,5 Мгц ) – для исследования детей раннего возраста

Виды ультразвуковых датчиков

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

сигнала отразилась от границы раздела и вернулась к датчику. Интенсивность принятых эхосигналов может быть графически представлена на экране эхокардиографа в различных режимах. Одним из первых режимов, в котором проводилось исследование, был А-модальный режим. Изображение регистрирует расстояние между субъектом и датчиком, измеренное данным сигналом в данный момент времени. А-модальное изображение не содержало временной оси координат и не могло поэтому регистрировать движение объекта.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы материалы из «Руководства по ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

заменена временной. Исторически М-модальное исследование было первым эхорадиографическим методом. В этом режиме на экране эхокардиографа на вертикальной оси откладывается расстояние от структур сердца до датчика, а по горизонтальной оси – время. Он обеспечивает очень высокую частоту смены изображений (высокую временную разрешающую способность). М-модальное исследование дает представление о движении различных структур сердца, которые пересекаются одним ультразвуковым лучом. Главный недостаток метода – одномерность.

Для увеличения объема информации, содержащейся в изображении, интенсивность принятых эхосигналов представляют не в виде амплитуды, а в виде яркости свечения точки: чем больше интенсивность принятых сигналов, тем больше яркость свечения соответствующих им точек изображения. Такой режим называется В-модальный (от англ. brightness - "яркость").

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

ультразвуковой диагностике» под ред. Митькова В. В. 2001 г.

функцию желудочков. В настоящее время применяется как вспомогательный режим при проведении эхокардиографического исследования преимущественно для измерений.
В том случае, когда в парастернальной позиции курсор М-режима располагается строго перпендикулярно изображению сердца, измерения могут быть проведены с большой точностью. Если изображение сердца и курсор расположены под углом, все размеры камер сердца будут значительно завышены и могут быть неправильно истолкованы. Поэтому следует проводить измерения в B- режиме в конце диастолы в том случае, если М-режим не может быть применен.
В настоящее существует анатомический М- режим, позволяющий изменить угол курсора.

М-режим

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

каждого полного прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количества вертикальных линий. Каждая линия - это, как минимум, один ультразвуковой импульс. Для получения двухмерного изображения органа в реальном времени производится сканирование (изменение направления ультразвукового луча) в секторе 90°. В режиме двухмерного изображения мы получаем на экране сечение органа, состоящее из множества точек, соответствующих В-модальным эхокадиограммам при различных направлениях ультразвукового луча. Частота смены кадров при двухмерном исследовании - около 60 в минуту.

Двухмерная эхография (В-режим)

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

реальном времени. Двухмерная эхокардиография (В-режим) позволяет в реальном времени оценить размеры полостей сердца, толщину стенок желудочков, состояние клапанного аппарата, подклапанных структур, глобальную и локальную сократимость желудочков, наличие тромбоза полостей и т. д.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы изображения с сайта www.medison.ru

ПетрГУ Васильев В. А. 2016

высокочастотный доплер (HFPW - high frequency pulsed wave)
Постоянноволновой доплер (CW - continuouse wave)
Цветовой доплер (Color Doppler)
Цветовой М-модальный допплер (Color M-mode)
Энергетический доплер (Power Doppler)
Тканевой скоростной доплер (TissueVelosity Imaging)
Тканевой импульсный доплер (Pulsed Wave TissueVelosity Imaging) и др.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

кровотока в конкретной данной точке, в месте установки контрольного объема. Точка установки контрольного объема называется базовой линией. По вертикали на графике откладывается скорость потока, по горизонтали - время.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы изображения с сайта www.medison.ru

скорости потока большей скорости, однако тоже имеет ограничение, связанное с искажением допплеровского спектра.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы изображения с сайта www.medison.ru

кровотока в сосудах c высокоскоростными потоками. Недостаток метода состоит в том, что регистрируются потоки по всей глубине сканирования.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы изображения с сайта www.medison.ru

основанная на регистрации скоростей движения крови, кодировании этих скоростей разными цветами и наложении полученной картины на двухмерное черно-белое изображение исследуемого объекта.
В англоязычной литературе наиболее часто используются термины Colour Doppler Imaging (CDI) и Colour Flow Imaging (CFI)

Цветной доплер

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы изображения с сайта www.medison.ru

цветом. Турбулентный кровоток картируется сине-зелено-желтым цветом

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Использованы изображения с сайта www.medison.ru

оценка низкоскоростного кровотока, применяется при исследовании сети мелких сосудов (щитовидная железа, почки, яичник), вен (печень, яички) и др. Более чувствителен к наличию кровотока, чем цветовой допплер.
На эхограмме обычно отображается в оранжевой палитре, более яркие оттенки свидетельствуют о большей скорости кровотока. Главный недостаток - отсутствие информации о направлении кровотока.

В настоящее время энергетический доплер используют в сочетании с контрастными веществами (левовист и др.) для изучения перфузии миокарда.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Imaging) основан на картировании направления движения тканей определенным цветом.  Применяется совместно с импульсным допплером в эхокардиографии для оценки сократительной способности миокарда.
Красным цветом обозначают движение к датчику, синим – от датчика.
Изучая направления движения стенок левого и правого желудочков в систолу и диастолу с помощью TVI можно обнаружить скрытые зоны нарушения локальной сократимости. Совмещение двухмерного исследования в режиме TVI с M-модальным увеличивает точность диагностики.

Тканевой импульсный допплер (Pulsed Wave Tissue Velocity Imaging). Позволяет оценить графически характер движения стенки желудочков в конкретной данной точке. Выделяют систолический компонент, ранний и поздний диастолический компоненты.Данный вариант допплера позволяет проводить картирование миокарда и увеличивает точность диагностики у больных с ишемической болезнью сердца.

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

и сервера НУЗ ОКБ на ст. Петрозаводск

при проведении курсора через ту или иную плоскость, позволяет разобраться с фазами сердечного цикла и патологическим кровотоком.

Цветовой М-режим

© ПетрГУ Васильев В. А. 2016

Васильев В. А. 2016