Физические принципы ультразвуковой диагностики

Получение видимых изображений внутренних органов с помощью ультразвука основано на регистрации ультразвуковых волн, отраженных на границах раздела морфологических структур и последующей обработке полученных электрических сигналов. Методы технической реализации этого принципа достаточно разнообразны. Рассмотрим лишь принципиальную основу наиболее распространенных из них.

1) Эхолокация или А-метод (от английского Amplitude). Это одномерныйметодисследования, т.е. он позволяет определять расстояние до отражающих ультразвук объектов лишь в одном заданном направлении. Проиллюстрируем его сущность рис.10.

На поверхности исследуемого объекта (поверхность тела человека) устанавливается ультразвуковой преобразователь, который служит как источником так и приемником ультразвука. Источник излучает короткий ультразвуковой импульс, который распространяется в теле человека со скоростью v. На границах раздела различных морфологических структур происходит отражение ультразвука. Приемник воспринимает отраженные ультразвуковые волны и за счет прямого пьезоэффекта преобразует их в электрические сигналы, которые затем усиливаются с помощью усилителя и регистрируются на экране монитора. Отмечаемое на экране время Dt₁ прихода первого отраженного сигнала (см. рис. 11) соответствует времени распространения ультразвука от источника до границы раздела А морфологических структур и обратно (см. рис. 10). Значит глубина расположения этой границы d₁ определяется по формуле:
d₁ = v×Dt₁/2.

Рис. 10.

Рис.11

Аналогично определяются расстояния d₂ (до границы раздела В),d₃ и т.д. Таким образом, полученная эхограмма позволяет судить о глубине расположения границ различных морфологических структур по расстоянию между отметкой начального зондирующего импульса и положением отраженных сигналов.

Эхолокацией, например, определяются продольные размеры глазного яблока и структур глаза (эхоокулометрия), измеряется разница расстояний от поверхности головы до ее внутричерепных структур и выявляются объемные поражения мозга (опухоли, гематомы, инородные тела) (эхоэнцефалография).

Амплитуды зарегистрированных на экране монитора сигналов пропорциональны интенсивности ультразвуковых волн, отраженных границами раздела сред, и определяются разницей в их акустических импедансах (см.формулу (5)), а также некоторым поглощением в среде.

2) Ультразвуковая томография (или В-метод, от английского Вright -яркость). Этот метод позволяет получать изображение органов в различных сечениях. Не вдаваясь в технические детали его реализации, рассмотрим лишь его основную идею.

Представим, что ультразвуковой преобразователь состоит из ряда расположенных в линию излучателей – приемников ультразвука, срабатывающих поочередно с высокой частотой (см. рис.12). В результате ультразвуковой луч перемещается (сканирует) вдоль линии в определенном сечении исследуемого объекта от точки М к точке N. Расстояние между этими точками определяет размеры получаемого изображения при одном фиксированном положении преобразователя. Для получения изображения другого участка органа преобразователь передвигается вручную. Отраженные от границ раздела морфологических структур ультразвуковые лучи (на рис. 12 это крайние лучи 1 и 2) преобразуется в электрические сигналы, поступающие на усилитель яркости электронного луча монитора. Этот электронный луч быстро движется сверху вниз и одновременно синхронно с ультразвуковым лучом перемещается по экрану слева направо. Исходная яркость луча очень мала, и только в момент прихода на усилитель яркости отраженного сигнала она резко возрастает. В результате на экране монитора наблюдается изображение границ органа в данном сечении.

Рис.12

Отметим, что в ультразвуковой томографии способы перемещения (сканирования) ультразвукового луча над исследуемым объектом могут быть различными. Наряду с указанным линейным сканированием используется секторное (когда изменяется угол наклона луча), дуговое (луч перемещается по дуге) и сложное сканирование, представляющее комбинирование различных спосо бов.

3) М- метод ( от английского Motion - движение) является, в сущности, разновидностью рассмотренного А-метода. Он используется для оценки характеристик движения некоторых объектов (например, клапанов сердца). Представим что клапан открыт (положение 1 на рис.13). Тогда ультразвуковая волна, отраженная от клапана в этом положении, будет зарегистрирована приемником раньше, чем отраженный ультразвуковой сигнал от закрытого клапана (положение 2). Непрерывное движение клапана приведет к непрерывному перемещению электронного пучка по экрану монитора в вертикальном направлении (ультразвуковой преобразователь преобразует ультразвуковые сигналы в электрические). В мониторе осуществляется развертка электрических сигналов во времени и в результате движениe клапанов представляется в виде непрерывной периодической кривой (см. рис. 14), характеризующей их функционирование.

В современных ультразвуковых диагностических устройствах упомянутые методы могут быть технически реализованы в едином приборном
комплексе.

Рис.14

Частота ультразвуковых волн, обычно используемых для диагностики, составляет 0,5 - 15 МГц. Чем больше частота, тем выше разрешающая способность метода - тем более мелкие объекты могут быть рассмотрены. Это объясняется тем, что минимальный размер объекта d, изображение которого может быть получено, зависит от длины волны l того излучения, в котором формируется изображение данного объекта. Если длина волны имеет значение порядка размеров d и выше, то явление дифракции не позволяет получить четкое изображение объекта. Например, приняв частоту ультразвука n = 1 МГц и скорость распространения ультразвука в мышечной ткани v = 1500 м/с, для длины волны получим:

l = м .

Это значит, что минимальный размер объекта, изображение которого может быть получено с помощью ультразвука такой частоты, составляет около 1,5 мм. Повышение частоты уменьшает длину волны и увеличивает разрешающую способность диагностики.

Однако, следует учесть, что с повышением частоты ультразвука увеличивается его поглощение в среде. Так, интенсивность ультразвука частотой
0,8 МГц в мягких тканях уменьшается вдвое на глубине 4-5 см, а для частоты
3 МГц - на глубине 1,5-2 см. Поэтому для исследования глубоко расположенных внутренних органов(например, печени) приходится использовать более низкие частоты из указанного выше диапазона, поскольку высокочастотный ультразвук практически полностью поглотится окружающими орган тканями, и отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал будет иметь столь малую величину, что его практически невозможно зарегистрировать. Если же исследуются органы, расположенные на малом расстоянии от поверхности тела (например, щитовидная железа), то поглощение окружающими тканями существенно меньше и появляется возможность использовать для диагностики более высокие частоты ультразвука.

Ультразвуковая диагностика получила широкое распространение в клинике из-за высокой разрешающей способности при визуализации исследуемых объектов, возможности проведения многократных исследований, безопасности и отсутствия каких-либо противопоказаний.

Методы ультразвуковой диагностики имеют и свои ограничения в применении. Они обусловлены тем, что на границе раздела мягкие ткани - газ или газ - жидкость происходит практически полное отражение ультразвука. Мощный ультразвуковой сигнал, возникающий за счет отражения на этих границах раздела, делает невозможным исследование структур, которые расположены за ними. Поэтому использование ультразвуковых методов неэффективно для диагностики состояния газонаполненных органов (например, легкие, кишечник).