Полный справочник медицинской аппаратуры - Коллектив авторов - Страница 32

Физические основы ультразвуковой диагностики

В 1880 г. Пьером и Марией Кюри был открыт пьезоэлектрический эффект, благодаря которому получают звуковые высокочастотные колебания, лежащие в диапазоне выше полосы частот, воспринимаемых человеческим ухом (более 20 000 Гц), впоследствии они были названы ультразвуковыми. Свое применение пьезоэффект нашел во время Первой мировой войны, когда К. В. Ши-ловский и П. Ланжевен разработали сонар, использовавшийся для навигации судов, определения расстояния для цели и поиска подводных лодок.

В 1929 г. С. Я. Соколов применил ультразвук для неразрушаю-щего контроля в металлургии (дефектоскопия). Этот крупнейший советский физик-акустик явился родоначальником ультразвуковой интроскопии и автором наиболее часто используемых и совершенно различных по своей сути методов современного звуко-видения. В 1937 г. попытки использования ультразвука в целях медицинской диагностики привели к появлению одномерной эхоэн-цефалографии. Однако лишь в начале 1950-х гг. удалось получить ультразвуковое изображение внутренних органов и тканей человека.

Излученные в тело пациента, ультразвуковые колебания отражаются от исследуемых тканей, а также границ между органами и, возвращаясь в ультразвуковой сканер, обрабатываются и измеряются после их предварительной задержки для получения фокусированного изображения. Полученные данные поступают на экран монитора, позволяя производить оценку состояния внутренних органов. Датчик является основным компонентом диагностической системы, который конвертирует электрические сигналы в ультразвуковые колебания и производит электрические сигналы, получая отраженное эхо от внутренних тканей.

Идеальный датчик должен быть эффективен как излучатель и чувствителен как приемник, иметь хорошие характеристики излучаемых им импульсов со строго определенными показателями, а также принимать широкий диапазон частот, отраженных от исследуемых тканей. В электронных датчиках ультразвуковые колебания возбуждаются благодаря подаче высоковольтных импульсов на пьезокристаллы. Количество раз, сколько кристалл вибрирует за секунду, определяет частоту датчика.

Датчики с высокой частотой колебаний обеспечивают лучшее разрешение изображения при исследовании неглубоко расположенных тканей, так же как низкочастотные датчики позволяют обследовать более глубоко расположенные органы, уступая высокочастотным качеством изображения. Это разногласие является основным определяющим фактором при использовании датчиков. Для улучшения характеристик датчиков и увеличения области применения ультразвуковых сканеров при различных медицинских обследованиях используют ультразвуковые гели и другие жидкости. В ультразвуковой диагностике применяются различные конструкции датчиков: представляющие собой диски с одним элементом, а также объединяющие несколько элементов, расположенных по окружности или вдоль длины датчика, производящие различные форматы изображения, которые необходимы или предпочтительны при проведении исследования различных органов.

В основном используются пять типов датчиков: аннулярные, линейные, механические секторные, конвексные, датчики с фазированным сканированием, различающиеся по методу формирования ультразвуковых колебаний; методу излучения; создаваемому ими формату изображения на экране монитора (см. рис. 3).

В диагностических целях обычно используют датчики с частотами: 3,0 МГц, 3,5 МГц, 5,0 МГц, 6,5 МГц, 7,5 МГц. Кроме того, в последние годы на рынке ультразвуковой техники появились приборы, оснащенные высокочастотными датчиками 10–20 МГц. Применение датчиков в зависимости от области исследования: 1) 3,0 МГц (конвексные и секторные) используются в кардиологии;

2) 3,5 МГц (конвексные и секторные) – в абдоминальной диагностике и исследованиях органов малого таза;

3) 5,0 МГц (конвексные и секторные) – в педиатрии;

4) 5,0 МГц с коротким фокусом могут применяться для обследования молочной железы;

5) 6,0–6,5 МГц (конвексные, линейные, секторные, аннулярные) – в полостных датчиках;

6) 7,5 МГц (линейные, датчики с водной насадкой) – при исследовании поверхностно расположенных органов (щитовидной железы, молочных желез, лимфатической системы).

Биофизика ультразвука

Ткани человеческого тела близки по своим свойствам к жидкой среде, поэтому давление на них ультразвуковой волны может быть описано как сила, действующая на жидкость. Изменение давления в среде может происходить как перпендикулярно в плоскости вибрации источника ультразвука, так и поперечно. В одном случае волну называют продольной, в другом – поперечной, одновременное использование волн дает возможность получения на экране плоскостного изображения органов, через которые прошел ультразвук. В ультразвуковой диагностике основную информацию несут преимущественно продольные волны. В твердых телах, например в костях или металлах, возникают поперечные волны. Как известно, технический прогресс не стоит на месте. Современные компьютеры, на которых базируются ультразвуковые сканеры последнего поколения, позволили анализировать бесконечное множество отраженных сигналов в секунду в разных плоскостях и формировать на экране истинную объемную картину исследуемых органов. Так появился новый метод диагностики – трехмерный ультразвук. При воздействии звуковой волны происходит смещение частиц упругой среды от точки равновесия. Именно за счет упругости и происходит передача звуковой энергии через ткань. Упругость – это возможность объекта после сжатия или растяжения вновь приобретать свою форму и размер. Скорость распространения ультразвука зависит прежде всего от упругости и от плотности ткани. Чем больше плотность материала, тем медленнее должны распространяться в нем ультразвуковые волны. Но к этому физическому параметру следует подходить с осторожностью. Скорость звука при прохождении его через разные среды биологического организма может быть различной, в таблице представлены скорости распространения ультразвука в различных средах (см. табл. 1).

Таблица 1

Скорость распространения звука в различных средах

Для различных типов ультразвуковых исследований применяются разные виды ультразвуковых волн. Наиболее важными параметрами являются частота излучения, диаметр поверхности трандюсера и фокусировка ультразвукового пучка. В аппаратах имеется возможность регулировать излучаемый и принимаемые сигналы, также имеется возможность усиления изображения эхосигналов.

Ультразвуковое исследование брюшной полости следует проводить утром натощак после 10–12 ч голодания. При повышенном газообразовании в кишечнике рекомендуются прием активированного угля и ферментных препаратов (фестала), трехдневная диета, исключающая сырые овощи и фрукты. В ходе исследования выявляются изменения, характерные для острых, хронических заболеваний и травматических повреждений, оцениваются размеры органов, их структура, взаимное расположение, наличие дополнительных образований, воспалительных очагов. При исследовании печени следует обратить внимание на ультразвуковые признаки следующих поражений: цирроза, острого и хронического гепатита, жировой инфильтрации, доброкачественных образований (кист, ге-мангиом, аденом, кальцификатов), паразитарных кист, злокачественных образований (первичного рака, метастазов), вторичных изменений, связанных с заболеваниями сердца. При исследовании желчного пузыря выявляются аномалии развития (форма, положение, количество, размеры), наличие в нем эхогенно неоднородных очагов (желчно-каменной болезни и ее осложнений), патологические изменения стенок пузыря и желчевыводящих протоков (воспалительные заболевания – острый и хронический холецистит), полипы, доброкачественные опухолевые поражения, злокачественные поражения (метастазы и др.). Поджелудочная железа: определяются аномалии развития (форма, положение, количество, размеры), ультразвуковые признаки острого панкреатита и его осложнений (псевдокисты, абсцессы, сдавливание желчевыводящих путей, перитониты), хронического панкреатита; неопухолевые поражения (кисты, жировая инфильтрация); опухолевые поражения (доброкачественные, злокачественные).