Ультразвуковая диагностика - визуальная методика, использующая звуковые волны высокой частоты. Частоты колеблются от 2 до 10 МГц, причем наивысшая частота, слышимая для человеческого восприятия, это 20 кГц.
Ультразвуковой датчик содержит один или более кристаллов с пьезоэлектрическими свойствами. Если кристалл поместить в электрическое поле, он деформируется и производит звуковые волны характерной частоты. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Пульсирующий электрический ток, проходя через кристаллы датчика, производит короткие импульсы звуковых высокочастотных волн, сигнал от которых длится микросекунды.
Если датчик находится в контакте с поверхностью тела, звуковые волны проходят через ткани. Различные ткани имеют разную сопротивляемость звуку, т.е. обладают акустическим сопротивлением. Средняя скорость прохождения звуковых волн сквозь мягкие ткани - около 1540 м/с; сквозь кость - около 4000 м/с; сквозь воздух - приблизительно 300 м/с. Там, где звуковые волны встречают препятствия между двумя обладающими разным акустическим сопротивлением тканями, часть звуковой волны отражается. Если разница в показателях сопротивления велика (например, мягкая ткань - воздух или мягкая ткань - кость), отражается большая часть звуковой волны, а оставшаяся проходит в более глубокие слои. Если разница в сопротивлении небольшая, отражается лишь небольшая часть, а большая часть звука проходит в более глубокие слои ткани. Если препятствие перпендикулярно первоначальному звуковому лучу, эхо отражения вернется назад к источнику. Ткани, расположенные под углом к звуковому лучу, вызывают рассеянное отражение. Таким образом, сила эхо зависит от разницы сопротивлений на границе сред, а также от угла, под которым ткань находится по отношению к лучу. По мере прохождения звукового луча через ткани он постепенно ослабевает, благодаря совместному влиянию отражения, рассеяния и поглощения.
Отраженный звук выявляется тем же кристаллом. Интервалы между импульсами испускаемого ультразвука достаточно велики, чтобы позволить уловить и проанализировать отраженные эхо-волны перед посылкой следующего импульса. Возвращающиеся эхо-волны вызывают механическую деформацию кристалла и электрические сигналы посылаются благодаря пьезо-электрическому эффекту. Эти сигналы анализируются в соответствии с силой и глубиной отражения, а затем выводятся на экран.
Типы режимов изображения
А-режим изображения (по амплитуде)
Это самая простая разновидность изображения. Используется единственный луч ультразвука, а отраженные волны выглядят как пики на горизонтальной линии. Высота каждого пика показывает силу эхо, в то время как горизонтальная ось отображает глубину отражающей структуры.
Этот тип изображения в настоящее время мало используется, так как дает лишь весьма ограниченную информацию о границах органов.
В-режим изображения (по насыщенности цвета)
Используются множественные ультразвуковые лучи ультразвука, причем анализируется эхо от каждого луча. Возвратные эхо-волны представлены на экране в виде точек, и изображение на экране представляет собой положение отражающей структуры внутри тела. Интенсивность эхо показана яркостью точек на экране. Таким образом достигается двумерный образ, представляющий собой срез через тело, и он выводится на экран. На первых порах работы в В-режиме можно было получать лишь самые сильные эхо-волны. В результате, края структур визуализировались, в то время как внутренний состав - в виде смутных очертаний. В 1970-х прогресс технологии позволил продемонстрировать широкий диапазон цветовых тонов. Теперь мы можем наблюдать видеоизображения как малых эховолн, отражающихся от внутренних структур органа, так и мощных эховолн, отраженных от границ органа. Этот процесс называется «серым изображением» (изображением по серой шкале).
Первоначально сложные В-сканы (статические изображения и полученные ручным способом) получали, укрепляя датчик на руке оператора. Изображение получалось при последовательном движении по поверхности тела. Это обеспечивало большое поле зрения, однако отнимало много времени; к тому же, требовало небольшой помощи пациента. Получаемый образ был статичным. При пользовании этим методом подвижные структуры видны неясно.
Статичное В-сканирование теперь вытеснено сканированием «по реальному времени». По этому типу сканирования множество звуковых лучей последовательно испускаются либо линейным рядом кристаллов, либо единственным движущимся кристаллом. Поперечно-секционное изображение формируется и очень быстро выводится на экран, а затем многократно обрабатывается, что позволяет увидеть движение структур тела. В настоящее время эта методика применяется наиболее часто в ультразвуковой диагностике для медицинских и ветеринарных целей.
М-режим изображения (движущийся тип)
При этом типе используется единственный ультразвуковой луч, а возвратные сигналы представлены серией точек вдоль вертикальной линии. Положение точки на этой линии показывает глубину отражающих структур, а насыщенность точки цветом выявляет силу эхо-волны. Эта линия постоянно меняется по мере разворачивания экрана в горизонтальное положение. Полученное изображение представляет движение структур вдоль линии. Особенную ценность представляет данная методика в кардиологии. Некоторые датчики настроены лишь на М-режим и испускают единственный звуковой луч. Таким образом, большую ценность в ветеринарии представляют датчики «реального времени», воспроизводящие поперечно-секционные изображения, что позволяет избрать единственную линию сканирования и вывести, когда потребуется, на экран в М-режиме.
Характеристики датчиков:
Кристалл
Толщина кристалла определяет частоту генерируемого звука. Диаметр кристалла варьируется в зависимости от цели, для которой предназначен датчик. Чем больше диаметр кристалла для данной частоты, тем более он может быть сфокусирован. Это позволяет достичь более четкой разрешающей способности, однако при этом датчик становится более громоздким.
Звуковой луч
Кристалл датчика производит звук определенной частоты. Чем выше частота звука, тем выше разрешающая способность, однако тем больше и ослабление сигнала в тканях. Поэтому в случае крайней необходимости для усиления разрешающей способности в ущерб глубокому проникновению в ткани нужно выбирать высокочастотный датчик (например, 7,5-10 МГц для ультразвуковой диагностики глаза). Когда же более важна глубина проникновения в ткани, следует выбрать низкочастотный датчик (например, 3,5-5 МГц для обзора внутренних органов грудной и брюшной полости больших собак).
Прежние случаи использования ультразвука в клинике показали, что фокусировка ультразвукового луча очень важна, поскольку не сфокусированный луч быстро рассеивается, в результате чего разрешающая способность падает. Фокальная зона датчика - это та часть звукового луча, где фокусировка, и следовательно, разрешающая способность, оптимальны. В ближайшем к звуковому лучу поле, или в зоне Фреснела, могут возникать признаки общей диффракции. За пределами фокальной зоны луч начинает быстро рассеиваться, уменьшая разрешающую способность. Эта зона называется зоной Франкофера. Вывод для клинического использования таков: важно помещать объект в пределах фокальной зоны, в случае необходимости подбирая датчик и адаптируя сканирующую методику к конкретной структуре. Для увеличения расстояния между поверхностью кожи и датчиком можно использовать буфер - и таким образом поместить интересующий орган в фокальную зону. Буфер должен быть из звукопроницаемого материала, не должен ослаблять луч; например, это может быть емкость с водой или блок полу затвердевшего геля. Он может составлять часть датчика или быть самостоятельной структурой.
В настоящее время становятся популярными кольцевые датчики. В них кристалл разделен на концентрические кольца различной толщины. Воспроизводится звук разной частоты, и луч может быть сфокусирован в тканях на большей глубине, чем это возможно с другими системами.
Тип датчика
В настоящее время существует два основных типа ультразвуковых датчиков:
1) Линейные датчики
Эти датчики обычно имеют от 60 до 256 кристаллов, соединенных в линейном порядке. Кристаллы издают звуковую волну поочередно, малыми группами, создавая прямоугольное поле обзора. Для улучшения разрешающей способности можно использовать электронную фокусировку. Главное преимущество этого типа датчиков состоит в том, что они дают большое поле обзора, даже в непосредственной близости к сканирующей поверхности, чем облегчают распознавание структур и анатомической связи между ними. Главный недостаток - эти датчики требуют относительно большой площади контакта с поверхностью тела пациента. Датчики такого типа первоначально использовались в гуманном акушерстве, и они настолько громоздки, что практически неприменимы для диагностики мелких животных. Линейные датчики последних разработок специально для ветеринарных целей - гораздо меньших размеров, и проблема, таким образом, сведена к минимуму.
Некоторые линейные датчики имеют вогнутую сканирующую поверхность. Это дает слегка дивергированное (отклоненное) поле зрения, но преимущества и недостатки этих изогнутых линейных датчиков почти аналогичны таковым у плоских линейных датчиков.
2) Конвексные датчики
Эти датчики дают веерное поле обзора. Тупоугольное поле обзора позволяет увидеть большее число структур, однако имеет меньшую разрешающую способность, чем «веер» с малыми углами.
а) Механические секторные сканеры имеют малое количество кристаллов, которые механически движутся, производя веерной формы луч. Это достигается благодаря монтировке малого количества кристаллов на движущееся колесо, либо колебательным движениям единственного кристалла.
б) Фазные конвексные датчики используют фиксированный ряд кристаллов, которые испускают ультразвуковой луч через поле веерной формы.
Секторные сканеры в целом предпочтительнее за счет малого размера и легкости управления; к тому же им достаточно малой площади соприкосновения с кожей. Однако у них малое поле обзора, что создает затруднения в идентификации и установлении связи между структурами организма. Ближнее поле обзора в особенности плохо просматривается. Однако при диагностике малых животных секторные трансдукторы в целом предпочтительнее: они более маневренны.
Фазные конвексные датчики несомненно технически лучше механических: выше разрешающая способность; нет подверженных износу движущихся частей; при соприкосновении с кожей они не производят вибрации. Однако при этом они выше по стоимости.
Подготовка пациента
Применять анастезию для ультразвукового обследования небольших животных приходится редко. Однако бывает полезно применение седативных средств, если животное нервничает или агрессивно. Однако при обследовании сердца лучше избегать применения седативных препаратов, поскольку они изменяют частоту сердечных сокращений и подвижность органов.
В зависимости от того, какой орган обследуется, необходимо выбирать соответствующее «акустическое окно». Другими словами, предстоит выбрать область кожи, которая находится над рассматриваемым органом, и избежать при этом под-лежащих участков кости и газо-содержащих структур. Кость и газ в лучшем случае будут ухудшать изображение, а в худшем - полностью заблокируют прохождение звукового луча.
Очень важно тщательно подготовить к осмотру сканируемую область. Для оптимального качества изображения следует обеспечить наилучший контакт аппарата и кожи. В большинстве случаев подготовка включает осторожное удаление шерсти с области сканирования, хотя в некоторых случаях можно ограничиться сдвигом шерсти в сторону (у длинношерстных собак и кошек). Затем кожа тщательно очищается медицинским спиртом от грязи и кожного жира, после чего кожа покрывается коммерческим акустическим гелем (количество определяется на глаз). Это делается для улучшения контакта между кожей и аппаратом. Можно использовать альтернативы коммерческому гелю, например, жидкий парафин или пищевое масло; однако важно придерживаться гарантийных сроков использования этих веществ.
Когда область сканирования подготовлена, датчик помещается на кожу - и сканирование можно начинать.
Принципы интерпретации изображения
На ранних стадиях развития ультразвука временами давались изображения белыми на черном фоне, временами - наоборот. Оба способа можно найти в литературе. Сейчас принято работать с белым, на черном фоне, изображением.
Для описания приняты некоторые термины:
Гиперэхогенная структура
Яркие пятна белого на черном фоне (в эхогенная структура современном варианте). Эти пятна показывают поверхности с высокой отража ющей способностью: кость, газ, коллаген.
Гипоэхогенная структура
Разбросанные пятна темно-серого (в современном варианте). Представляют собой отражение от мягких тканей (полупроводимость-полуотражение эховолны).
Анэхогенная структура
Отсутствие эхо; черное на современных эхопрозрачная структура; снимках). Представляет собой полноссонопрозрачная; транссон тью проводящую звук среду, т.е. жидкость.
Кость и газ препятствуют прохождению звука. В случае границы мягкая ткань-газ отражается около 99% звука. На границе мягкая ткань-кость отражается около 30% звука, но оставшийся сильно поглощается. Таким образом, в обоих случаях от поверхности исходит сильная эхо-волна, но структуры под поверхность не видны.
Жидкость полностью анэхогенна, хотя присутствующие в ней частицы могут отражать волну. Мягкие ткани видны на экране как различные оттенки серого в зависимости от их клеточного сложения, а также типа и числа внутренних поверхностей. Коллаген известен как потенциальный источник внутренних эхо-волн. У жира более разнообразная ультрасонографическая картина, но чаще всего - эхогенная. Можно оценивать эхо-текстуру по размеру, плотности и распределению внутренних эхо-волн.
Обычные артефакты (ложные изображения)
Очень важно уметь распознавать обычно встречающиеся артефакты, с тем, чтобы избежать ошибочной интерпретации.
Акустическая тень
Как уже упоминалось, кость и газ препятствуют прохождению звука, что выражается в интенсивно-эхогенной линии на поверхности этих структур. Это - феномен акустической тени. Знание этого эффекта может пригодиться в идентификации мелких камней в почках, мочевом пузыре или желчном пузыре.
Акустическая тень может также выявляться от округлых наполненных жидкостью структур (например, желчного пузыря) в результате рефракции звукового луча.
Акустическое усилие
Звуковые волны беспрепятственно проходят через жидкость, так что часто под жидкостью обнаруживается особенно яркая область. Это - феномен акустического усиления. Знание этого феномена может быть полезным в подтверждении жидкостной природы сканируемой области на изображении.
Реверберации (Многократное отражение)
Реверберация наблюдается на поверхностях с высокой отражающей способностью. Сильная эхо-волна возвращается на датчик, где отражается и повторно входит в ткани. Это может происходить несколько раз. В результате наблюдаются множественные изображения, параллельные первоначальной поверхности и под ней. Этот тип артефакта особенно часто наблюдается на границе мягкой ткани или жидкости с газом. Его нечасто встретишь на границе мягкая ткань-кость, поскольку кость хорошо абсорбирует звук.
Еще один особый артефакт - «хвост кометы», названный так по целому потоку ревербераций за пределами рассматриваемой поверхности.
Артефакт зеркального изображения
Данный артефакт также встречается на поверхностях с высокой отражающей способностью. В этом случае множественные внутренние реверберации наблюдаются между поверхностью и другими тканями, а именно, некоторые эхо-волны запаздывают в возвращении к датчику и оказываются как бы происходящими за пределами рассматриваемой области. В ветеринарной ультрасонографии есть два момента, когда обычно встречается подобный артефакт. Поверхность диафрагма-легкие очень хорошо отражает, и за пределами диафрагмы может быть видно зеркальное отражение печени. Важно распознать это как артефакт, а не трактовать как патологическое нарушение целостности диафрагмы. Поверхность перикард-легкие также имеет высокую отражающую способность, вследствие чего иногда видно зеркальное отражение сердца.
Ультрасонография по Депплеру
Простая ультрасонография по Депплеру несколько лет использовалась в ветеринарии как средство диагностики беременности. В последнее время в этой области был достигнут огромный прогресс, что позволило сильно расширить пределы использования методики Допплера.
Допплеровская ультрасонография позволяет измерять скорость кровотока в сосудах и отделах сердца. Определив скорость кровотока, можно выяснить тип кровотока (ламинарный или турбулентный) и оценить градиент давления.
Звуковые волны высокой частоты проходят в ткани тела. Когда в соответствии с перемещением датчика движется отражающая поверхность, происходят изменения в длине волн и, соответственно, изменение частоты отраженной волны. Изменение частот определяется частотой издаваемого звука, скоростью отражения и скоростью прохождения звука в тканях. Изменение по Допплеру, встречающееся в клинической практике, обычно находится в диапазоне частот 100Гц-11кГц, представляя собой диапазон скорости 10-100 см/сек.
Когда движение отражателя не параллельно звуковому лучу, рассматривается только векторный компонент в этом направлении. Это дает сдвиг частот, соответствующий скорости меньшей, нежели действующая скорость, просто в силу изменения угла наклона. Таким образом, угол звукового луча также должен учитываться в подсчетах.
Постоянная Допплеровская волна
Кристалл датчика испускает постоянный звуковой луч. Другой трансдуктор улавливает эхо-волны, сравнивая частоты. Сдвиг частот может быть отражен графически и/или на слух. Эти системы позволяют измерять широкий диапазон скоростей, однако не обеспечивают информацией по поводу того, издает ли какой-либо движущийся предмет сигнал.
Пульсирующая волна Допплера
Ультразвук передается датчиком импульсами, и возвратное эхо улавливается тем же датчиком. Задержка связана с глубиной отражающей структуры, поэтому становится возможным определение источника сдвига по Допплеру. Однако пульсирующая трансмиссия ограничивает максимум скорости, который может быть измерен.
Двойное Допплеровское изображение
Эта методика сочетает пульсирующую волну Допплера с двумерным изображением «реального времени», позволяя точно определить местонахождение исследуемого органа. Большинство систем используют два датчика в пределах единой пробы изображения. Поперечно-секционное изображение и графическое изображение по Допплеру одновременно выводятся на экран.
Цветовой поток Депплера
Данная система позволяет получить информацию о скорости всего поперечно-секционного изображения. Эта информация добавляется к двумерному изображению как цвет, причем цвет и его насыщенность отображают направление и предел колебаний скорости. Такая методика несет в себе огромный потенциал, поскольку обеспечивает как функциональной, так и анатомической информацией; однако такое оборудование в настоящее время чрезвычайно дорого.
Биологическая безопасность ультразвуковой диагностики
Влияние ультразвуковой диагностики на живые ткани широко исследовано. Ультразвуком давно пользуются в человеческой медицине, в частности, более 10 лет - в акушерстве; обоснованных данных по неблагоприятным медицинским последствиям не публиковались. Давние данные о повреждениях хромосом человеческих лейкоцитов после ультразвукового обследования не подтвердились. Известно, что ультразвук высокой интенсивности может повредить ДНК «in vitro» и нарушить рост клетки. Однако в ультрасонографии пользуются пульсирующей волной, так что общее время экспозиций тела и его тканей невелико. В настоящее время считается, что диагностический ультразвук биологически безопасен и не несет неблагоприятных клинических эффектов.