Физические основы применения ультразвука в диагностических целях.. математ. Физические основы применения ультразвука в диагностических целях
 Скачать 59.71 Kb.
|
1 2 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНЕСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Кафедра Физики и математики РЕФЕРАТ по дисциплине «Математика, физика» на тему «Физические основы применения ультразвука в диагностических целях» Выполнила: студентка 1 курса лечебного факультета группа №108 Рыкова Мария Сергеевна г.Ставрополь 2022г СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………..стр. 3 Физические основы ультразвука………………………………………стр.5 Методы получения эхографического изображения…………………стр.10 Ультразвуковая диагностическая аппаратура………………………..стр.17 Применение ультразвука в медицине…………………………………стр.28 Заключение……………………………………………………………….стр.35 Список литературы………………………………………………………стр.36 ВВЕДЕНИЕ Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно просто получить направленное излучение; он очень хорошо поддается фокусировке, в итоге чего возрастает интенсивность ультразвуковых колебаний. Официальная история изучения ультразвука начинается в 1880 году, когда гениальный физик Пьер Кюри, работая совместно с братом Жаком, открыл появление пьезоэффекта, суть которого заключается в возникновении на гранях кварцевой пластинки при ее сжатии электрических зарядов. Через год это явление, получившее название прямого пьезоэффекта, было на теоретическом уровне обусловлено другим французским ученым Г.Липманом, который также описал и принцип обратного пьезоэффекта -деформации пьезоматериала под воздействием разности электрических потенциалов. В течение нескольких десятилетий эти открытия не получали должного признания и применения. Лишь в 1916 году начинается практическое использование ультразвукового устройства - на подводных лодках устанавливаются первые ультразвуковые эхолокаторы для обнаружения кораблей противника. В 1929 году российским исследователем С.Я.Соколовым были заложены основы ультразвуковой дефектоскопии в технике и промышленности (обнаружение скрытых дефектов в металлических изделиях, бетонных блоках и т.п.). Для этого создаются специальные ультразвуковые устройства, послужившие впоследствии прототипами медицинских диагностических аппаратов. С их помощью и были произведены отдельные попытки получения ультразвуковой информации о состоянии внутренних органов человека. Вскоре появляются первые, относительно простые по устройству медицинские аппараты, работающие в одномерном режиме. Они сделали возможным в эксперименте и клинической практике увидеть изображение камней желчного пузыря, зарегистрировать смещение срединных структур головного мозга при наличии в полости черепа гематомы или опухоли и др. В середине 50-х годов начинается успешное применение ультразвукового диагностического метода в офтальмологии, публикуются первые работы по диагностике опухолей молочной железы. Это время отмечено появлением аппаратов, дающих двумерное (В-метод) изображение внутренних органов (ультразвуковую томограмму), а также теоретическими и экспериментальными исследованиями применения доплеровских систем в диагностике. В течение следующих 15-20 лет аппаратура значительно совершенствуется, создаются устройства «серой шкалы», дающие изображения с большим количеством деталей и тонкими градациями структуры, разрабатываются первые модели аппаратов быстрого сканирования (в реальном масштабе времени). Постепенно формируется облик современного ультразвукового диагностического аппарата, оснащенного большим количеством сменных датчиков, имеющего встроенные блоки для измерений, расчетов различных биологических параметров и, наконец, систему компьютерной обработки изображения. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКА Область физики, изучающая колебательные движения в упругих (твердой, жидкой и газообразной) средах, называется акустикой. Акустика первоначально возникла как наука, исследующая звуковые, т.е. слышимые ухом, колебания. Но, в настоящее время предметом изучения акустики являются и другие механические колебания, которые недоступны слуху человека из-за очень низкой (инфразвук) или высокой (ультразвук) и сверхвысокой (гиперзвук) частоты. Ультразвуковая волна - это звуковые колебания, превосходящие по частоте определенный порог. Диапазон слышимости звука у человека составляет 20-20 000 Гц. Диапазон черно-белого изображения ультразвука (режим серой шкалы) 2-15 МГц; доплеровские частоты несколько ниже. В диагностической аппаратуре используется лишь относительно небольшой участок ультразвукового диапазона. Это связано с тем, что колебания высокой частоты не могут глубоко проникать в ткани, а низкие частоты не обеспечивают достаточного качества изображения из-за невысокого разрешения. Самые высокие рабочие частоты имеют датчики офтальмологических аппаратов, низкие - ультразвуковых остеометров и синускопов. Колебательные движения описываются значением ряда параметров: амплитуды, периода, частоты колебаний, длины волны и др. В тканях тела распространяются только продольные волны, которые представляют собой возвратно-поступательные перемещения частиц среды. Так как продольная волна представляет собой чередующиеся зоны разрежения и сжатия вещества среды, частота колебаний является числом сжатий и разрежений в единицу времени. Измеряется эта величина в герцах (1Гц = одному сжатию + разрежению за одну секунду). Период колебаний - это время, за которое происходит одно сжатие и одно разрежение, т.е. величина, обратная частоте колебаний. Т= 1/f, где Т — период колебаний, с; f —частота колебаний, Гц. Длина волны характеризуется расстоянием между соседними участками с одинаковой степенью разрежения или сжатия. Это расстояние проходит волна за период одного колебания. Длина волны, частота, период и скорость распространения колебаний связаны между собой простой зависимостью: X = v/f = vT, где X —длина волны, м; v - скорость распространения волны, м/с; f - частота колебаний, Гц; Т- период колебаний, сек, т.е. f X = v. При постоянной скорости звука эти величины обратно пропорциональны. При увеличении частоты длина волны уменьшается, и наоборот. Скорость распространения волны определяется как расстояние, пройденное волной в среде за 1 секунду. Этот параметр зависит прежде всего от свойств среды (плотности, однородности) и лишь в небольших пределах от изменения температуры. Температура тела человека является практически постоянной величиной, ее колебания в несколько десятых долей градуса существенно не влияют на скорость ультразвука. X—длина волны (м); f—частота колебаний (Мгц). Физические аспекты ультразвука, нашедшие применение в медицине Скорость, с которой ультразвук распространяется в среде, зависит от свойств этой среды, в частности, от ее плотности. Скорость распространения ультразвука в тканях человека при температуре 37°С равна 1540 м/с. Для скорости ультразвука 1540 м/сек, длина волны составляет 0,44 мм на частоте 3,5 Мгц, около 0,3 мм на частоте 5 Мгц. Если плотность, структура и температура одинаковые, то такая среда называется гомогенной. В гомогенной среде волны распространяются линейно. Различные среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важен акустический импеданс. Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны.Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект «раздела фаз». Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее. При этом: · угол падения равен углу отражения; · из-за различий акустических импедансов сред угол преломления не равен углу падения. Соотношение между углом падения (отражения) и углом преломления описывается формулой: n1/n2 = sinq2/sinq1, где n — акустический импеданс, t — угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз. Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн. Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами: · разностью акустического импеданса сред — чем больше эта разность, тем больше отражение; · углом падения — чем ближе он к 90°, тем больше отражение; · соотношением размеров объекта и длины волны — размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны). Пространственная разрешающая способность метода определяет расстояние между двумя объектами, при котором их еще можно различить. Таким образом, важно найти оптимальную частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности. Структуры, в которых происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень (shadowing). Низкие частоты лучше проникают в ткани. Большое значение имеет контакт кожи, геля и датчика. Если изучаемый объект расположен слишком поверхностно, для данного типа датчика можно использовать специальную прокладку. Используемые в диагностических целях частоты ультразвука (примерно в диапазоне от 2-х до 15-ти МГц) позволяют получить узкие пучки ультразвукового излучения, проходящие с небольшим расхождением через ткани организма человека. Уменьшают расхождение ультразвукового луча специальные «фокусировочные линзы». При больших частотах длина волны меньше. Более короткие волны позволяют различать отражающие объекты, расположенные на более близком расстоянии. Следовательно, при использовании более высоких частот разрешение выше, но меньше проникающая способность. Отражение ультразвуковой волны составляет основной принцип действия современной диагностической ультразвуковой аппаратуры, работающей в режиме эхолокации. Часть направленной вглубь тканей энергии ультразвуковой волны отражается на границе неоднородностей внутренней структуры органов и тканей организма и вызывает микродеформацию пьезоэлемента датчика и появление в нем (по принципу прямого пьезоэффекта) электрического импульса, несущего информацию о внутреннем строении исследуемой области. При близких значениях акустических сопротивлений большая часть ультразвуковой энергии проходит через границу двух сред. Однако современная аппаратура способна воспроизводить на экране отражение менее 1% ее мощности. Отражение будет прямо пропорционально разности акустического сопротивления на границе раздела двух неоднородных сред (тканей). Акустическое сопротивление зависит от плотности ткани и скорости распространения в ней ультразвука. Оно выражается формулой: Z = Pс Z - акустическое сопротивление кг/м2/с, Р - плотность среды кг/м3, с - скорость распространения ультразвука, м/с. Коэффициент отражения легко определить, если известны акустические сопротивления первой и второй сред: Ra = Z2-Z1/Z2+Z1 Ra - коэффициент отражения по амплитуде, Z1 и Z2 - акустические сопротивления сред. Понятно, что чем больше разница между акустическими сопротивлениями двух сред, тем большая часть энергии волны отразится на их границе. Именно поэтому при проведении исследования так важно создать акустическую прослойку между датчиком и кожей, нанеся специальную контактную смазку, хорошо проводящую ультразвуковые колебания и тем самым свести к минимуму их отражение. Малейшая воздушная прослойка приводит к почти полному отражению ультразвуковой волны и невозможности получения какой-либо диагностической информации. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭХОГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Получение ультразвуковых колебаний Для получения ультразвуковых колебаний в технических и медицинских аппаратах используется явление обратного пьезоэффекта - колебания пластинки из пьезоматериала под воздействием электрического тока. Не меньшее значение для работы аппаратуры имеет и принцип прямого пьезоэффекта. Информация о внутреннем строении органов и тканей тела человека передается отражением от них ультразвуковой волны. При ее воздействии на пьезоэлемент датчика в нем образуются электрические заряды, которые после соответствующих преобразований образуют изображение на экране устройства. Основной элемент датчика представляет собой тонкую пластину из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. В настоящее время материалом для этого служат не природные (кварц), а полученные искусственным путем материалы (титанаты свинца, бария и др.). При подведении к граням такой пластинки разности потенциалов происходит ее деформация — расширение или сжатие в зависимости от полярности электрического заряда. Это явление известно как обратный пьезоэффект. Частота колебаний пластины зависит от свойств материала, из которого она сделана, ее толщины и т.п. Чем тоньше пьезоэлемент, тем выше его резонансная частота. Для частот 10-15 МГц толщина пластины составляет всего несколько микрон (мкм). Время, в течение которого на пластину подается напряжение, измеряется миллионными долями секунды и лишь в течение этого времени пьезоэлемент является передающей антенной - излучает ультразвуковые колебания вглубь тканей. Созданная разность электрических потенциалов вызывает колебания пластинки из пьезоматериала, что служит источником ультразвуковой волны. Отразившаяся часть энергии волны вызывает деформацию пластины и появление электрических зарядов на ее гранях. Часть энергии ультразвуковой волны отражается, проходя через границы тканей, имеющих различные акустические свойства и возвращается к пьезоэлементу, который в это время находится в состоянии покоя. Отраженная ультразвуковая волна вызывает компрессию пьезопластины и появление на ее гранях разности электрических потенциалов по принципу прямого пьезоэффекта. Пьезоэлемент датчика в это время работает как приемная антенна, а появившийся на пластине электрический заряд и является основной единицей построения изображения на экране. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине В настоящее время такие названия метода, как двумерное и одномерное ультразвуковое исследование чаще заменяются сокращенными названиями А и В-метод. Применение терминов, которые имеют в своем составе слова «сканирование» или «томография» допустимо лишь для описания исследования двумерным (В) методом. При использовании других режимов их наименование фигурирует в описании исследования, например: ультразвуковая допплерография, цветное допплеровское картирование, или после названия «сонография», "ультразвуковое исследование" и др. указывается метод его проведения. Существуют два принципиальных варианта получения информации о внутренней структуре объекта с помощью ультразвука. Ведущим в настоящее время является метод эхолокации, который заключается в приеме отраженных по мере прохождения луча сигналов, их обработке в аппарате и выводе графической или структурной информации на экран. Принцип эхолокации реализуется на практике различными методами, среди которых практически наиболее используемыми являются: А, В, D и их разновидности. А-метод получил название от начальной буквы английского слова amplitude (амплитуда). Отраженные сигналы воспроизводятся в виде пиков на горизонтальной оси экрана аппарата. Чем более смещено вправо изображения этого пика, тем дальше от датчика расположена зона отражения ультразвукового сигнала. Зная скорость распространения ультразвуковой волны в тканях тела человека, можно определить расстояние до этой зоны, разделив пополам (так как ультразвуковой луч проходит этот путь дважды) произведение времени возврата импульса на скорость ультразвука. Значение амплитуды на экране аппарата характеризует разницу в акустической плотности тканей. Тем не менее, амплитуда отраженного сигнала позволяет, в определенной мере, сделать заключение о характере препятствия на трассе ультразвукового луча. Несмотря на то, что аппарат, работающий в одномерном режиме, устроен относительно просто, а количество информации, получаемой с его помощью, ограничено, устройства этого типа и в настоящее время успешно применяются в некоторых областях медицины. Датчик аппарата, работающего в одномерном режиме, чаще всего имеет цилиндрическую форму (в виде толстого карандаша). В торце его рабочей поверхности расположен один неподвижный пьезоэлемент. М-метод (развертка одномерного изображения во времени). Название этого метода (М) является сокращением английского слова motion (движение). Иногда метод называется ТМ time-motion (время-движение). Он был предложен и нашел наибольшее применение в кардиологической практике, так как предназначен для исследования движущихся структур. Суть метода легко понять, представив себе, как ультразвуковой луч из датчика одномерного аппарата проходит через сердце. В этом случае на экране аппарата можно наблюдать перемещение амплитуд сигналов, отраженных от стенок камер и клапанов работающего сердца вправо-влево в зависимости от фазы его сокращения. Однако, измерять смещения этих амплитуд (т.е. определять величины колебаний) практически невозможно, так как изображение находится в постоянном движении. В М-режиме изображение на экране повернуто на 90° градусов по отношению к тому, как воспроизводится А-методом. На экране оно более соответствует нормальным пространственным соотношениям: отраженные сигналы откладывается не на горизонтальной, а на вертикальной оси, причем, амплитуда изображается не пиком сигнала, а яркостью свечения точки в месте его отражения. В настоящее время основная масса ультразвуковых исследований производятся аппаратами, работающими в режиме В-метода, название которого происходит от слова brightness (яркость). Данный метод называется ещё эхотомографией, способом двумерного ультразвукового исследования, или ультразвуковым сканированием и является наиболее информативным и употребительным буквально во всех областях медицины. Перемещение ультразвукового луча имеет возможность выполняться последовательным включением пьезоэлементов датчика. Для регистрации и измерения параметров работы сердца как правило используют двойной режим работы аппарата (В+М) Справа на экране эхотомограмма сердца с изображением на ней пунктирной линией оси, по направлению которой в левой части экрана воспроизводится развертка одномерного сигнала во времени. Подобный метод сканирования называется электронным сканированием. Датчик представляет собой ряд последовательно расположенных пьезоэлементов. Каждый из них (как при работе в А-режиме) воспроизводит изображение в виде точек, расположение которых на экране соответствует расстоянию до зоны отражения, а яркость — амплитуде отраженного сигнала. Чем больше отдельных элементов будет содержать датчик и чем меньший размер будет иметь каждый элемент — тем качественнее будет изображение на экране. Таким образом, двумерное изображение получается в результате сканирования, то есть перемещения пучка ультразвуковой энергии в одной плоскости, которая называется плоскостью сканирования. Сканирование ультразвукового луча может быть осуществлено и механически. В этом случае датчик обычно имеет один пьезоэлемент, который приводится в движение микромотором. Способ сканирования называется в этом случае механическим. В настоящее время редко, но все же встречаются аппараты, в которых датчик перемещается рукой. Этот вариант получения двумерного изображения носит название сложного ручного или компаундного сканирования. Чтобы его осуществить, необходимо специальное устройство, которое в процессе сканирования обеспечивает перемещение датчика строго в одной плоскости. Любые изменения положения датчика в пределах этой плоскости не ограничиваются. Датчик аппарата сложного ручного сканирования устроен точно так же, как в одномерном аппарате, то есть в его корпусе имеется один неподвижный пьезоэлемент. Для получения эхотомограммы методом ручного сканирования отраженные сигналы принимаются и фиксируются в специальном запоминающем устройстве, где формируется статическое, «застывшее» изображение, которое «рисуется» на экране по мере перемещения датчика по поверхности тела. Такое медленное сканирование не позволяет видеть перемещения объекта. При исследовании движущихся объектов этим методом можно получить значительные искажения его формы и размеров. С-метод (фронтальное сканирование). Этот метод заключается в получении двумерного изображения при перемещении пьезоэлемента в плоскости, поперечной его поступательному движению (в прямоугольной системе координат). Система формирования изображения такого аппарата обрабатывает только сигналы, отраженные на одной задаваемой для каждого томографического среза глубине. Датчик имеет свободу перемещения вперед-назад, вверх-вниз с возможностью наклона луча под разными углами но только в пределах выбранной плоскости сканирования, которая не может быть изменена в процессе появления изображения на экране. После проведения каждого томографического среза, эта плоскость изменяется на другую перемещением устройства подвески датчика. Изображение возникает при перемещении датчика по коже исследуемой области и в процессе исследования автоматически замораживается. Преимуществом метода является возможность получать на экране целиком томографические срезы больших площадей. К недостаткам относится трудоемкость и продолжительность исследования. Широкого практического применения подобные аппараты не получили. D-метод (ультразвуковая допплерография). Метод ультразвуковой допплерографии основан на эффекте, открытом австрийским физиком К.Доплером в 1842 г. Суть этого эффекта, проявляющегося для волновых колебаний любой природы, состоит в изменении длины волны при ее отражении от движущейся преграды. Отражение от препятствия, приближающегося к источнику сигнала, вызывает увеличение частоты исходного колебания, при удалении — приводит к понижению частоты. Измерение частотного сдвига позволяет определить скорость и направление смещения движущихся структур. Суть метода состоит в том, что отраженные сигналы проходят цифровую обработку и, в зависимости от направления доплеровского сдвига на выбранном и отмеченном участке обычного двумерного изображения показывается цветом направление движения перемещающихся структур. Обычно смещение по направлению к датчику кодируется красным, отдатчика — синим цветом (артериальный и венозный потоки крови). Области турбулентного движения маркируются желтым или зеленым цветом, а отсутствие перемещения крови — глубоким черным цветом. С помощью цветного доплеровского картирования можно видеть кровообращение на уровне мелких артериальных и венозных сосудов и фиксировать даже незначительные препятствия кровотоку (сужения сосудов, атеросклеротические бляшки и др.). УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА Виды и типы ультразвуковых диагностических устройств В современной клинической практике широко применяются многие виды и типы ультразвуковых диагностических устройств. Имеется множество аппаратов, специально разработанных и предназначенных для различных разделов медицины.При этом неверно считать их устаревшими или несовершенными. Они специально и наилучшим образом приспособлены для конкретных исследований С практической точки зрения, ультразвуковые аппараты могут быть разделены в зависимости от области применения на аппараты общего назначения, универсальные аппараты, аппараты специального назначения. Аппараты общего назначения - относительно недорогие и несложные в работе. С их помощью производится осмотр органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза. Дополнительные датчики позволяют исследовать щитовидную, молочные железы, мягкие ткани. Эти аппараты могут применяться также в акушерской, педиатрической и неонатологической клиниках. Универсальные аппараты — имеют все перечисленные возможности аппаратов общего назначения и, кроме того, ряд дополнительных. Специальные датчики к этим аппаратам делают их по-настоящему многофункциональными и универсальными: например, дают возможность осмотра предстательной железы трансректальным доступом, исследования в операционной ране; применения в офтальмологии, производства прицельной тонкоигольной биопсии. Наличие в таком аппарате доплеровского блока позволяет проводить осмотр сердца и сосудов с оценкой их функций и т.п. Датчик (передатчик, преобразователь) преобразует одну форму энергии в другую. Ультразвуковые датчики преобразуют электричество и волны давления. В настоящее время это может быть выполнено с помощью пьезоэлектрического кристалла (пьезо означает «давление»). В будущем, вероятно, будет возможно прямое преобразование. Фазовый датчик (датчик для конвергентного сканирования) имеет набор кристаллов, которые могут возбуждаться сериями. Некоторые фазовые датчики могут поворачиваться с использованием возможностей электроники, испуская волну, проникающую в ткани под углом. В эхокардиографии мы имеем дело с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот. В датчике это преобразование осуществляется специальным кристаллом — пьезоэлектрическим элементом. Пьезоэлектрический элемент изменяет свои размеры под воздействием электрического тока и, напротив, порождает электрический ток под действием приложенного к нему давления, например, со стороны ультразвуковых волн. Таким образом, пьезоэлектрический кристалл может посылать и принимать ультразвуковые волны. В датчике пьезоэлектрический элемент находится между двумя электродами (плюс и минус). Проходящий через элемент электрический ток заставляет его то расширяться, то сжиматься и тем самым генерировать ультразвуковые волны. С другой стороны, приходящие ультразвуковые волны элемент преобразует в электрические импульсы, регистрируемые катодным осциллографом. Оптимальная длина пьезоэлектрического элемента равна 1/2 длины волны. В этом случае элемент колеблется с резонансной частотой. Колебания пьезоэлектрического элемента распространяются по всем направлениям, в том числе в направлении корпуса датчика. Чтобы исключить волны, отраженные от корпуса датчика, корпус выстилают поглощающим материалом.Генерированный ультразвуковым датчиком сигнал распространяется на некоторое расстояние, называемое ближней зоной, в виде пучка параллельных волн, которые затем расходятся в так называемой дальней зоне. Применив конвергирующие и рассеивающие линзы, можно удлинить ближнюю зону и уменьшить расхождение ультразвуковых лучей в дальней зоне. Конвергирующие линзы фокусируют параллельные ультразвуковые волны и используются в датчиках для сжатия пучка. Они формируют узкий пучок высокой интенсивности на коротком участке, за пределами которого лучи расходятся, но не в такой степени, как это было бы без использования конвергирующих линз. В современных датчиках фокусировка ультразвуковых лучей осуществляется не оптическими линзами, а электронными средствами. Аппараты специального назначения В зависимости от конкретной области использования: эхокардиографы, эхоостеометры, эхосинускопы, эхоофтальмоскопы, эхомаммоскопы и др. По габаритам ультразвуковая диагностическая аппаратура делится на: портативные аппараты, переносные, полустационарные, стационарные. Портативные аппараты, которые отличаются малыми размерами и массой (обычно не более 5-8 кг). Естественно, такие аппараты не могут быть универсальными и иметь очень широкие возможности и области применения, однако, с их помощью можно проводить диагностику заболеваний органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза, осмотры в акушерской практике. Такие аппараты удобно использовать в ситуациях оказания скорой и неотложной помощи, в амбулаторных условиях, а также в стационаре в качестве прикроватного монитора (например, для диагностики ранних послеоперационных осложнений в палатах интенсивной терапии или для оценки акушерской ситуации в предродовой палате и родовом зале). Переносные - имеют несколько большие размеры и массу, но также легко перемещаются к месту проведения исследования (вместо того, чтобы транспортировать пациента в кабинет ультразвуковой диагностики). Эти аппараты являются достаточно совершенными диагностическими системами и могут иметь несколько датчиков, в том числе и специальные (внутриполостные, интраоперационные, биопсийные). Полустационарные - представляют собой более сложные устройства. Как правило, они имеют несколько сменных рабочих датчиков, Экран такого аппарата обычно имеет размер более 25 см по диагонали. Именно этот тип аппаратов чаще всего встречается в практике. Размещаются они на специальных тележках или станинах с колесами, что, в принципе, позволяет осуществлять транспортировку, например, в операционную или палату интенсивной терапии. Однако, чаще их используют как постоянно установленные в кабинете устройства. Стационарные - большие, сложные и дорогие диагностические системы (обычно с компьютерной обработкой изображения) по своим габаритам и массе требующие больших помещений и не позволяющие транспортировать их в собранном состоянии. Именно к этому классу относятся некоторые специальные аппараты - например, ультразвуковые иммерсионные маммографы. С точки зрения конструктивных особенностей аппарата и реализованного в нем принципа получения изображения классификация выглядит более сложной: По способу получения диагностической информации аппараты разделяются на: · Одномерные (работающие в А-режиме). Такие аппараты дают возможность исследовать объект только по направлению одного излучаемого датчиком ультразвукового сигнала (по глубине). · Двумерные (имеющие В-режим работы)- это аппараты сканирующего типа. Как правило, в таких аппаратах присутствует и М-режим, а часто также и одномерный. · К редкому типу двумерных аппаратов относятся устройства, имеющие С-режим; · Аппараты, имеющие встроенный доплеровский блок или приставку; · Аппараты с устройством цветного доплеровского картирования. · Модели аппаратов экспертного класса со специальными датчиками и блоками обработки информации, дающие объемное изображение. По типу и виду сканирования: · Аппараты, сканирующие в реальном масштабе времени, которые позволяют получать на экране изображение, соответствующее моменту проведения исследования и наблюдать движения объекта. Большинство выпускающихся сегодня аппаратов относятся к данному типу. · Устройства сложного ручного сканирования, дающие на экране статическое изображение (картинка появляется на экране постепенно, «рисуется» при перемещении датчика по коже); · Приборы механического сканирования с «медленным» перемещением элемента внутри корпуса датчика или в водной среде, куда погружается исследуемая часть тела. По методу обработки отраженных эхосигналов: · Устройства с серой шкалой. Изображение на экране такого аппарата имеет множество оттенков серого цвета. К этому типу относится абсолютное большинство современных аппаратов; · Аппараты с условным цветовым кодированием отраженных сигналов. Изображение составляется на экране не из серых точек различной (в зависимости от амплитуды) яркости, а из цветных, выбранных для каждого уровня сигнала. · Аппараты с бистабильной обработкой эхосигналов. Воспроизводятся только отражения, превышающие пороговый уровень, которые, независимо от амплитуды, на экране имеют одинаковую яркость. Этим методом можно получить только изображение контуров объекта и основных составляющих его внутренней структуры. В настоящее время такие аппараты, так же как и аппараты с «цветной серой шкалой» практически не производятся. В ультразвуковом диагностическом аппарате часто соединяются (по блочному принципу) ряд приспособлений и устройств, обеспечивающих как разные типы сканирования, так и возможность специальной обработки отраженных сигналов. Ультразвуковые датчики Набор датчиков включает электронные - конвексные и линейные, механические секторные и специальные - внутриполостные, пункционные и интраоперационные позволяет проводить исследования при различных клинических ситуациях. В более сложных универсальных моделях имеется доплеровский блок или устройства цветного доплеровского картирования. Независимо от типа и класса, к которому относится ультразвуковой диагностический аппарат, блочная схема его построения однотипна. По мере усложнения и совершенствования в диагностические системы включаются дополнительные блоки и приспособления, но принципиальная архитектура диагностического устройства остается общей для всех типов аппаратов. В настоящее время в работе ультразвукового диагностического аппарата практически используется только метод эхолокации, поэтому датчик аппарата является одновременно и передающей и принимающей антенной. Ультразвуковой датчик (преобразователь, трансдюсор) может иметь разную конструкцию, но независимо от этого, он всегда связан с генератором электрических сигналов, которым приводится в колебание его пьезоэлемент (элементы). В сложных современных диагностических устройствах в блоке формирования изображения происходит цифровая компьютерная обработка сигналов, что существенно повышает качество получаемой при исследовании информации. Полученное в результате сложной обработки изображение выводится на экран, представляющий собой электронно-лучевую трубку, аналогичную телевизионной. Корректировка параметров изображения и режимов работы аппарата производится органами управления, расположенными обычно на передней панели аппарата (клавиатура или другая система регуляторов). Варианты эхокардиографического исследования 1. Двухмерная эхокардиография - изображение сердца по длинной или короткой оси в 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 2. М-режим -графическое изображение движения стенок сердца и створок клапанов во времени. М-режим позволил впервые в реальном времени оценить размеры сердца и систолическую 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. Эта ошибка встречается у специалистов с небольшим стажем работы. Поэтому следует проводить измерения в B-режиме в конце диастолы в том случае, если М-режим не может быть применен. В настоящее время ряд фирм предложили использовать анатомический М-режим, позволяющий изменить угол курсора. 3. Допплер-эхокардиография, включая импульсный, непрерывно-волновой, цветовой, цветовой М-режим, энергетический, тканевой цветовой, тканевой импульсный, тканевой С-режим и т. д., - метод, позволяющий неинвазивно оценить параметры центральной гемодинамики. Активное применение методики в медицине можно отнести к началу 80-х годов. Проведение допплеровского исследования подразумевает высокий технический навык в проведении двухмерного исследования, знание топографической анатомии и гемодинамики сердца. В эхокардиографии используют следующие варианты допплера: - Импульсный допплер (PW - pulsed wave). - Импульсный высокочастотный допплер (HFPW - high frequency pulsed wave). - Постоянноволновой допплер (CW - continuouse wave). - Цветовой допплер (Color Doppler). - Цветовой М-модальный допплер (Color M-mode). - Энергетический допплер (Power Doppler). - Тканевой скоростной допплер (TissueVelosity Imaging). - Тканевой импульсный допплер (Pulsed Wave Tissue Velosity Imaging). Импульсный допплер (Pulsed Wave, или PW). Графическая разверстка импульсно-волнового допплера отражает характер 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. Все потоки, которые в конкретной данной точке движутся к датчику, располагаются на графике выше базовой линии; все потоки, которые движутся от датчика - ниже нулевой линии. Импульсный допплер имеет скоростной предел (не более 2,5 м/с), поэтому с его помощью нельзя зарегистрировать потоки, имеющие высокую скорость. Импульсный высокочастотный допплер (HFPW - high frequency pulsed wave). Несколько контрольных объемов распологаются один за другим на различной глубине. Это позволяет регистрировать кровоток, скорость которого превышает 2,5 м/с. Постоянно-волновой допплер (CW - Continuous Wave Doppler). Позволяет регистрировать высокоскоростные потоки. Недостаток метода состоит в том, что на графике регистрируются все потоки по ходу луча. Методика CW допплеровского исследования позволяет произвести расчеты давления в полостях сердца и магистральных сосудов в ту или иную фазу сердечного цикла, рассчитать степень значимости стеноза и т.д. Основным уравнением CW является уравнение Бернулли, позволяющее расчитать разницу давления или градиент давления. С помощью уравнения можно измерить разницу давления между камерами в норме и при наличии патологического, высокоскоростного Цветовой допплер - аналог импульсного допплера, где направление и скорость кровотока картируется различным цветом. Так кровоток к датчику принято картировать красным цветом, от датчика - синим цветом. Турбулентный кровоток картируется сине-зелено-желтым цветом. Цветовой M-модальный допплер (Color M-mode). Сопоставление M-модального режима и цветового допплера при проведении курсора через ту или иную плоскость, позволяет разобраться в фазами сердечного цикла и патологическим кровотоком. Энергетический допплер (Power Doppler). Применяется для регистрации низкоскоростного кровотока. При этом регистрируется амплитуда отраженного от движущегося объекта сигнала в виде бело-оранжевого изображения, которое не отражает направление кровотока. В настоящее время энергетический допплер используют в сочетании с контрастными веществами (левовист и др.) для изучения перфузии миокарда. Тканевой допплер (Tissue Velocity Imaging). Принцип данного метода основан на картировании направления движения тканей определенным цветом. Таким образом, 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. Таким образом, допплеровские методики позволяют получить большой объем информации без применения инвазивных методов исследования. Чреспищеводная эхокардиография (моно-, би-, и мультиплановая). Исследование сердца через пищевод с использованием специальных датчиков. Информативность метода очень высокая. Противопоказанием служит наличие стриктуры пищевода. Стресс-эхокардиография (с использованием физической нагрузки, чреспищеводной электростимуляции или медикаментозной нагрузки). Широко применяется у больных с ишемической болезнью сердца. Трехмерное и четырехмерное моделирование сердца - компьютерный анализ изображения и построение объемного изображения камер сердца, створок клапанов, кровотока и т. д. Внутрисосудистый ультразвук - исследование коронарных артерий с использованием специального внутрисосудистого датчика малого диаметра. Инвазивный ультразвуковой метод. Используется параллельно с коронарографией. Контрастная эхокардиография - применяется для контрастирования правых камер сердца при подозрении на дефект, или левых камер сердца для исследования перфузии миокарда. Информативность метода контрастирования левых камер сердца сопоставима со сцинтиграфией миокарда. Положительным фактором является отсутствие лучевой нагрузки на больного. Отрицательными факторами являются инвазивный характер метода и высокая цена препарата ( левовист, альбунекс и т.д.). Cкрининговое исследование сердца можно провести на любом ультразвуковом приборе, при наличии соответствующего кардиологического датчика и В- и М- режимов. При этом можно использовать недорогие ультразвуковые сканеры. Уровень диагностики и процент ошибки в этом случае во многом зависят от квалификации специалиста. Современное эхокардиографическое исследование должно включать, помимо В- и М- режимов, цветовой допплер, импульсно-волновой и непрерывно-волновой допплер. При наличии патологии, только непрерывноволновой допплер позволит измерить высокоскоростные патологические потоки, провести все необходимые расчеты и измерения, оценить гемодинамику. Объем получаемой информации зависит от возможности датчика. Внутрисосудистые датчики применяются параллельно с ангиографическим исследованием, используются кардиохирургами. Чреспищеводные датчики могут быть моноплановыми, биплановыми и мультиплановыми. Современные технологии (тканевой допплер, контрасты) позволяют во много раз повысить информативность исследования, особенно, у больных с патологией миокарда. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ. УЗИ брюшной полости. В ходе исследования брюшной полости оцениваются размеры органов, их структура, взаимное расположение, наличие дополнительных образований, воспалительных очагов, выявляются изменения, характерные для хронических заболеваний и травматических повреждений. Печень: существуют ультразвуковые признаки следующих поражений - острого и хронического гепатита, цирроза, жировой инфильтрации, вторичных изменений, связанных с заболеваниями сердца, доброкачественных образований (кист, гемангиом, аденом, кальцификатов), паразитарных кист, злокачественных образований (первичного рака, метастазов). Желчный пузырь: выявляются аномалии развития пузыря (формы, положения, количества, размеров) и желчевыводящих протоков, желчекаменная болезнь и ее осложнения, воспалительные заболевания (острый и хронический холецистит), полипы, доброкачественные опухолевые поражения, злокачественные поражения. Поджелудочная железа: определяются аномалии развития, воспалительные заболевания: острый панкреатит и его осложнения (псевдокисты, абсцессы, сдавливание желчевыводящих путей, перитониты), хронический панкреатит; неопухолевые поражения (кисты, жировая инфильтрация); опухолевые поражения: доброкачественные, злокачественные. Селезенка: наиболее целесообразным ультразвуковое исследование этого органа является при подозрении на пороки развития (полное отсутствие, неправильное расположение, блуждающая селезенка, изменение формы, наличие добавочных селезенок), а также при повреждениях селезенки, которые встречаются в 22% случаев всех травм органов брюшной полости. Кроме того диагностируется увеличение селезенки при воспалительных ее поражениях и при заболеваниях печени, определяются кисты, кальцификаты, инфаркты, абсцессы, опухоли (гемангиомы, лимфангиомы, лимфомы, саркомы, метастатические поражения), изменения при системных заболеваниях крови (лейкозы). Сосуды: оценка расположения магистральных и внутриорганных сосудов, их размеров, состояние просвета. УЗИ в акушерстве и гинекологии. В настоящие дни эта область медицины не представляется без ультразвуковых исследований, которые носят многоплановый характер и имеют широкие возможности в диагностике различных заболеваний. Акушерство: Приоритетное использование метода в акушерстве связано с отсутствием ионизирующего излучения и возможностью поэтому динамического наблюдения за пациентом. Техническая простота также относится к преимуществам УЗИ. Важной оценкой эффективности данной диагностики является снижение заболеваний и смертности матери и плода, что может быть достигнуто за счет более точного определения срока беременности и родов, выявления аномалий развития плода и многоплодия. Особое место занимает ранняя диагностика внематочной беременности. Гинекология: Ультразвуковое исследование позволяет оценить расположение органов, их размеры; выявить изменения, характерные воспалительным заболеваниям матки и яичников; определить наличие дополнительных образований матки и яичников с проведением дифференциальной диагностики доброкачественных и злокачественных изменений; произвести точную диагностику миомы матки, внутреннего эндометриоза, патологии эндометрия; производить контроль при проведении гинекологических операций (например в процессе искусственного прерывания беременности у больных миомой матки, биопсии эндометрия, удалении внутриматочной спирали). УЗИ в педиатрии. В педиатрии используется весь спектр ультразвуковых исследований как на самых ранних этапах обследования, так и на этапах окончательного установления диагноза. Применение ультразвука в педиатрии обусловлено безвредностью (отсутствие радиационной нагрузки), безболезненностью, неинвазивностью, простотой и экономичностью метода. УЗИ в онкологии. Ранняя диагностика злокачественных новообразований в настоящее время является одной из самых актуальных проблем в онкологии. Ультразвуковые исследования применяют на самом первом этапе обследования больных с онкологическим риском. Различные ультразвуковые методики в онкологии используются для решения следующих задач: 1 2 |