И.П. Ершов

Ультразвуковые волны — это упругие колебания среды с частотой, пре­вышающей частоту колебания слышимых человеком звуков,— свыше 20 кГц. В ультразвуковой диагностике используют продольные ультра­звуковые волны, которые обладают высокой проникающей способнос­тью и проходят через ткани организма, не пропускающие видимый свет. Они относятся к числу неионизирующих излучений и в применя­емом в диагностике диапазоне не вызывают выраженных биологичес­ких эффектов. Средняя интенсивность их энергии не превышает при использовании коротких импульсов 0,01 Вт/см², поэтому противопо­казаний к исследованию нет. Процедура ультразвуковой диагностики непродолжительна, безболезненна, может быть многократно повто­рена. Ультразвуковой аппарат занимает мало места и может быть ис­пользован для обследования как стационарных, так и амбулаторных больных.

Ультразвуковой метод — способ дистантного определения поло­жения, формы, величины, структуры и движения органов и тканей, а также патологических очагов с помощью ультразвукового излу­чения.

Он позволяет зарегистрировать даже незначительные изменения плот­ности биологических сред. Благодаря перечисленным выше достоинствам ультразвуковой метод стал одним из наиболее популярных и доступных ис­следований в клинической медицине. В некоторых ее разделах, например

Рве. 11.38. Ультразвуковой диагностический аппарат.

акушерстве, педиатрии, он стал основным, а иногда единственным мето­дом диагностической визуализации¹.

Аппарат для ультразвукового исследования представляет собой слож­ное и вместе с тем достаточно портативное устройство, выполняемое в стационарном или переносном варианте (рис. 11.38). Датчик аппарата, называемый также транедюсером, включает в себя ультразвуковой пре-

¹ Подробнее см.: Клиническое руководство по ультразвуковой диагностике/Под ред. ММ. Митькова. Т.1. — М.: ВИДАР, 1996; Под ред. ММ. Митькова и MB. Медведева. Т.2.- М.: ВИДАР, 1996; т.З.— М.: ВИДАР, 1997.

образователь, основной частью которого является пьезокерамический кристалл. Короткие электрические импульсы, поступающие из элек­тронного блока прибора, возбуждают в нем ультразвуковые колеба­ния — обратный пьезоэлектрический эффект. Применяемые для диа­гностики колебания характеризуются небольшой длиной волны, что позволяет формировать из них узкий пучок, направленный на иссле­дуемую часть тела. Отраженные волны («эхо») воспринимаются тем же пьезоэлементом и преобразуются в электрические сигналы — прямой пьезоэлектрический эффект. Последние поступают в высокочастотный усилитель, обрабатываются в электронном блоке прибора и выдаются пользователю в виде одномерного (в форме кривой) или двухмерного (в форме картинки) изображения. Первое называют эхограммой, а вто­рое — сонограммой (синонимы: ультрасонограмма, ультразвуковая ска-нограмма).

Таким образом, ультразвуковой преобразователь выполняет следующие функ­ции: 1) преобразует электрические сигналы в ультразвуковые колебания; 2) при­нимает отраженные эхосигналы и преобразует их в электрические; 3) формиру­ет пучок ультразвуковых колебаний необходимой формы; 4) обеспечивает (в ряде систем) перемещение пучка ультразвуковых волн в исследуемой области.

Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства. Их подразделяют на предназначенные для медленного и быстрого — в реальном времени — сканирования. Датчики для медленного сканирования, как пра­вило, одноэлементные, для быстрого — механические или электронные (меха­ническое или электронное сканирование). Механические датчики в боль­шинстве случаев содержат два-три элемента, реже — один элемент. При этом изображение на экране получается в виде сектора (секторные датчи­ки). Датчики для электронного сканирования всегда многоэлементные, вы­полнены в виде линеек различной длины и формы. В зависимости от формы получаемого изображения различают секторные, линейные и кон-вексные (выпуклые) датчики.

Частоту ультразвуковых волн подбирают в зависимости от цели иссле­дования. Для глубоко расположенных структур применяют более низкие частоты, для поверхностных — более высокие. Например, для изучения сердца используют волны с частотой 2,2—5,0 МГц, для эхографии глаза — 10—15 МГц. На современных установках сонограммы подвергают компью­терному анализу по стандартным программам. Распечатка информации производится в виде картинки — изображения исследуемой области либо, при одномерном исследовании, в виде кривых или ряда цифр.

Все ультразвуковые установки, кроме основанных на эффекте Допплера (см. ниже), работают в режиме импульсной эхолокации: излучается ко­роткий импульс и воспринимается короткий сигнал. В зависимости от задач исследования применяют разные виды датчиков. Одни из них пред­назначены для сканирования с поверхности тела. Другие датчики со­единены с эндоскопическим зондом, их используют при внутриполост-ном исследовании, в том числе в комбинации с эндоскопией. Эти дат­чики, а также созданные для ультразвуковой локации на операцион­ном столе, можно стерилизовать. Биопсийные, или пункциоинш, датчики применяют для точного наведения биопсийных, или пункционных, игл,

По принципу действия все ультразвуковые датчики делят на две груп­пы: эхоимпульсные и допплеровские. Приборы первой группы служат для оп­ределения анатомических структур, их визуализации и измерения. Доппле­ровские датчики позволяют получать кинематическую характеристику бы­стро протекающих процессов - кровотока в сосудах, сокращений сердца. Однако такое деление условно. Многие установки дают возможность одно­временно изучать как анатомические, так и функциональные параметры.

Для исследования головного мозга, глаза, щитовидной, слюнных и молочной желез, сердца, почек, обследования беременных со сроком более 20 нед специальной подготовки не требуется. При изучении органов брюш­ной полости, особенно поджелудочной железы, следует тщательно подгото­вить кишечник, чтобы в нем не было скопления газа. Больной должен явиться в ультразвуковой кабинет натощак. Исследование органов таза ре­комендуется проводить при наполненном мочевом пузыре.

Больного обследуют при разном положении тела и датчика. При этом врач обычно не ограничивается стандартными позициями, а, меняя поло­жение датчика, стремится получить возможно полную информацию о со­стоянии органов. Для улучшения контакта с датчиком кожу над исследуе­мой областью тела хорошо смазывают пропускающим ультразвук специаль­ным акустическим гелем.

Ослабление ультразвука в среде определяется так называемым импедан­сом — ультразвуковым сопротивлением. Величина его зависит от плотности среды и скорости распространения в ней ультразвуковых волн. Достигнув границы двух сред с разным импедансом, пучок этих волн претерпевает из­менения: часть его продолжает распространяться в новой среде, а часть от­ражается. Коэффициент отражения зависит от разности импеданса сопри­касающихся сред, т.е. от степени акустической неоднородности гранича­щих тканей: чем выше различие в импедансе, тем больше волн отражается. Кроме того, степень отражения зависит от угла падения волн на гранича­щую плоскость: наибольшее отражение отмечается при прямом угле паде­ния. Из-за почти полного отражения ультразвуковых волн на границе не­которых сред при ультразвуковом исследовании приходится сталкиваться со «слепыми» зонами: это наполненные воздухом легкие, кишечник (при наличии в нем газа), участки тканей, расположенные за костями. На грани­це мышечной ткани и кости отражается до 40 % волн, а на границе мягких тканей и газа — практически 100 %, поскольку газ не проводит ультразву­ковые волны. При необходимости ультразвуковое исследование проводят с применением контрастных средств. К их числу относятся, в частности, микропузырьки газа, растворенные в галактозе.

Наибольшее распространение в клинической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики: одномерное исследование (эхография), двух­мерное исследование (сонография, сканирование) и допплерография. Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.

Различают два варианта одномерного ультразвукового исследования: Л- и М-методы. Принцип А-метода показан на рис. II.39, а. Датчик нахо­дится в фиксированном положении для регистрации эхосигнала в направ­лении излучения, Эхосигналы представляются в одномерном виде как амп-

Монитор

Ультразвуковой датчик

Эхоофтальмограмма

Регистрирующая система

Ультразвуковой датчик

Область сердца

Дисплей

Рис. 11.39. Одномерное ультразвуковое исследование.

а — А-метод эхографии (на примере исследования глазного яблока): пики на эхо-офтальмограмме образованы роговицей (1), хрусталиком (2), сетчаткой (3), скле­рой (4), ретробульбарной жировой клетчаткой (5); б — М-метод ультразвукового сканирования сердца (эхокардиография).

литудные отметки на оси времени. Отсюда, кстати, и название метода (от англ. amplitude — амплитуда). Иными словами, отраженный сигнал об­разует на экране индикатора фигуру в виде пика на прямой линии. Количе­ство и расположение пиков на горизонтальной прямой соответствуют рас­положению отражающих ультразвук элементов объекта. Следовательно, одномерный А-метод позволяет определить расстояние между слоями тка­ней на пути ультразвукового импульса. Основное клиническое применение А-метода — офтальмология и неврология. При исследовании глаза с помо­щью этого метода можно определить состояние глазного яблока, выявить помутнение стекловидного тела, отслойку сетчатки или сосудистой оболоч­ки, опухоль или инородное тело в глазнице. В неврологии А-метод позво­ляет определить локализацию серповидного отростка и тем самым устано­вить наличие объемного процесса в мозге: кровоизлияния, опухоли. Следу­ет отметить, что, несмотря на наличие в настоящее время более сложных, наглядных и точных методов изучения головного мозга, А-метод ультразву­ковой биолокации по-прежнему достаточно широко применяют в клинике, так как его отличают простота, дешевизна и мобильность исследования.

М-метод (от английского motion — движение) также от­носится к одномерным ульт­развуковым исследованиям (рис. 11.39, б). Он предназна­чен для исследования движу­щегося объекта — сердца. Датчик также находится в фиксированном положении. Частота посылки ультразву­ковых импульсов очень высо­кая — около 1000 в 1 с, а про­должительность импульса очень небольшая, всего 1 мкс. Таким образом, датчик лишь 0,1 % времени работает как излучатель, а 99,9 % — как воспринимающее устройство. Отраженные от движущихся стенок сердца эхосигналы за­писываются на диаграммную бумагу. По форме и распо­ложению зарегистрированных кривых можно составить представление о характере со­кращений сердца. Данный метод ультразвуковой биоло­кации получил также назва­ние «эхокардиография» и, как следует из его описания, при­меняется в кардиологической

клинике. Как и А-метод, М- _t__

метод благодаря его простоте и доступности достаточно широко использу­ют в клинической практике, преимущественно на первичном, доклиничес­ком этапе обследования.

Ультразвуковое сканирование позволяет получать двухмерное изображение органов (сонография). Этот метод известен также под названием «В-метод» (от англ. bright — яркость). Сущность метода заключается в перемещении ульт­развукового пучка по поверхности тела во время исследования. Этим обеспе­чивается регистрация сигналов одновременно или последовательно от мно­гих объектов. Получаемая серия сигналов служит для формирования изобра­жения. Оно возникает на дисплее и может быть зафиксировано на бумаге. Это изображение можно подвергнуть математической обработке, определяя размеры (площадь, периметр, поверхность и объем) исследуемого органа.

При ультразвуковом сканировании яркость каждой светящейся точки на экране индикатора находится в прямой зависимости от интенсивности эхосигнала. Сигналы разной силы обусловливают на экране участки потем­нения различной степени (от белого до черного цвета). На аппаратах с та­кими индикаторами плотные камни выглядят ярко-белыми, а образования, содержащие жидкость,— черными (рис. 11.40).

Большинство ультразвуковых установок позволяет производить скани­рование пучком волн относительно большого диаметра и с большой часто­той кадров в секунду, когда время перемещения ультразвукового луча на­много меньше периода движения внутренних органов. Это обеспечивает прямое наблюдение на дисплее за движением органов (сокращениями и расслаблениями сердца, перемещениями органов при дыхании и т.д.). О та­ких исследованиях говорят, что их проводят в режиме реального времени.

Важнейшим элементом ультразвукового сканера, обеспечивающим ис­пользование режима реального времени и серой шкалы, является блок про­межуточной цифровой памяти. В нем ультразвуковое изображение преоб­разуется в цифровое и накапливается по мере поступления сигналов от дат­чика. Одновременно осуществляется считывание изображения из памяти специальным устройством и представление его с необходимой скоростью на дисплее. У промежуточной памяти есть еще одно назначение: благодаря ей изображение имеет полутоновый характер, такой же, как на рентгено­грамме. Однако диапазон градаций серого цвета на рентгенограмме не пре­вышает 15—20 уровней, тогда как в ультразвуковой установке он достигает 64. Промежуточная цифровая память позволяет остановить изображение движущегося органа, т.е. сделать стоп-кадр, и внимательно изучить его на экране дисплея. При необходимости с этого стоп-кадра может быть сделана твердая копия на бумаге, можно записать движение органов на магнитные носители — диск или ленту.

Допплерография — одна из самых изящных инструментальных методик. Она основана на эффекте Допплера, названном так по имени австрийского ученого — физика и астронома. Этот эффект состоит в изменении длины волны (или частоты) при движении источника волн относительно прини­мающего их устройства. Он характерен для любых волн (свет, звук и т.д.). При приближении источника к приемнику длина волны уменьшается, а при удалении — увеличивается. На эффекте Допплера основана работа це­лого класса ультразвуковых диагностических приборов. Более того, в на­стоящее время допплерографию можно выполнять с помощью приборов для двухмерной ультразвуковой биолокации.

Существуют два вида допплерографических исследований — непрерывный (постоянноволновой) и импульсный. При первом генерация ультразвуковых волн осуществляется непрерывно одним пьезокристаллическим элементом, а регистрация отраженных волн — другим. В электронном блоке прибора производится сравнение двух частот ультразвуковых колебаний: направлен­ных на больного и отраженных от него. По сдвигу частот этих колебаний судят о скорости движения анатомических структур. Анализ сдвига частот может производиться акустически или с помощью самописцев.

Непрерывная допплерография — простой и доступный метод исследова­ния. Он наиболее эффективен при высоких скоростях движения крови, на­пример в местах сужения сосудов. Однако у этого метода имеется сущест­венный недостаток: частота отраженного сигнала изменяется не только вследствие движения крови в исследуемом сосуде, но и из-за любых других движущихся структур, которые встречаются на пути падающей ультразву­ковой волны. Таким образом, при непрерывной допплерографии определя­ется суммарная скорость движения этих объектов.

От указанного недостатка свободна импульсная допплерография. Она по­зволяет измерить скорость в заданном врачом участке контрольного объе-130

ма. Размеры этого объема невелики - всего несколько миллиметров в диа­метре, а его положение может произвольно устанавливать врач в соответст­вии с конкретной задачей исследования. В некоторых аппаратах скорость кровотока можно определять одновременно в нескольких (до 10) контроль­ных объемах. Такая информация отражает полную картину кровотока в ис­следуемой зоне тела пациента. Укажем, кстати, что изучение скорости кро­вотока иногда называют ультразвуковой флоуметрией.

Результаты импульсного допплерографического исследования могут быть представлены врачу тремя способами: в виде количественных показателей скорости кровотока, в виде кривых и аудиально, т.е. тональными сигналами на звуковом выходе аппарата. Звуковой выход позволяет на слух дифферен­цировать однородное, правильное, ламинарное течение крови и вихревой турбулентный кровоток в патологически измененном сосуде. При записи на бумаге ламинарный кровоток характеризуется тонкой кривой, тогда как вихревое течение крови отображается широкой неоднородной кривой.

Большое значение в клинической медицине, особенно в ангиологии, получила ультразвуковая ангиография, или цветное допплеровское кар­тирование (рис. 11.41, 11.42). Метод основан на кодировании в цвете среднего значения допплеровского сдвига излучаемой частоты. При этом кровь, движущаяся к датчику, окрашивается в красный цвет, а от дат­чика — в синий. Интенсивность цвета возрастает с увеличением ско­рости кровотока. Иногда для усиления контрастирования в кровь вво­дят перфузат с микрочастицами, имитирующими эритроциты.

Дальнейшим развитием допплеровского картирования стал так на­зываемый энергетический допплер. При этом методе в цвете кодируется не средняя величина допплеровского сдвига, как при обычном доппле-ровском картировании, а интеграл амплитуд всех эхосигналов доппле­ровского спектра. Это дает возможность получать изображение крове­носного сосуда на значительно большем протяжении, визуализировать сосуды даже очень небольшого диаметра (ультразвуковая ангиогра­фия). На ангиограммах, полученных с помощью энергетического доп­плера, отражается не скорость движения эритроцитов, как при обыч­ном цветовом картировании, а плотность эритроцитов в заданном объ­еме. Благодаря своим диагностическим возможностям ультразвуковая ангиография методом энергетического допплера в ряде случаев может заменить более инвазивную рентгеновскую ангиографию (рис. 11.43)..

Допплеровское картирование используют в клинике для изучения формы, контуров и просвета кровеносных сосудов. С помощью этого мето­да легко выявляют сужения и тромбоз сосудов, отдельные атеросклероти-ческие бляшки в них, нарушения кровотока. Кроме того, введение в кли­ническую практику энергетического допплера позволило этому методу выйти за рамки чистой ангиологии и занять достойное место,при исследо­вании различных паренхиматозных органов с диффузными и очаговыми поражениями, например у больных циррозом печени, диффузным или уз­ловым зобом, пиелонефритом и нефросклерозом и др., чему способствует появление класса контрастных веществ для ультразвукового исследования.

Еще один вид допплеровского картирования — тканевый допплер. Он основан на визуализации нативных тканевых гармоник. Они возникают как

Рис. 11.41. Допплерограмма брюшной аорты (поперечное сканирование). Анев­ризма аорты.

РисП.42. Цветное картирование нормальной почки в режиме энергетического лопплера

Рис. 11.43. Ультразвуковая ангиограмма (цветная допплсрограмма) подчелюстного лимфатического узла, пораженного метастазом рака. Четко видны сосуды опухоли.

Рис. 11.44. Изображение сердца в фазах диастолы (а) и систолы (б) при исследова­нии в режиме тканевого допплера.

дополнительные частоты при распространении волнового сигнала в мате­риальной среде, являются составной частью этого сигнала и кратны его ос­новной (фундаментальной) частоте. Регистрируя только тканевые гармони­ки (без основного сигнала), удается получить изолированное изображение сердечной мышцы без изображения содержащейся в полостях сердца крови. Подобная визуализация сердечной мышцы, выполненная в фикси­рованные фазы сердечного цикла —« систолу и диастолу, позволяет неинва-зивным путем оценить сократительную функцию миокарда (рис. 11.44).