Обработка ультразвукового сигнала: этапы обработки, расшифровка

УЗ-волны при прохождении через ткани затухают. В затухании УЗ-луча участвуют пять механизмов:

• поглощение;

• отражение;

• преломление;

• рассеивание;

• дивергенция.

Механизм и степень затухания зависят, помимо дивергенции, также от особенностей тканей, поэтому на основании изменений, которые претерпевает УЗ-луч при прохождении через ткани, можно оценить их состояние. Для анатомической и морфологической характеристики тканей в основном исходят из отражения, хотя и другие механизмы затухания позволяют получить важную диагностическую информацию, специфичную для той или иной ткани.

Поглощение

При прохождении УЗ-волны через среду возникает сила трения, которая тормозит смещение частиц вещества, приводимых в колебательное движение. В результате снижается амплитуда УЗ-волны. Поглощение УЗ-волн существенно зависит от материала, через который они проходят.

В результате поглощения энергия движения трансформируется в тепло, которого образуется тем больше, чем больше поглощение УЗ-волн гасится колебаниями частиц вещества среды.

Затухание ультразвука в результате поглощения происходит тем больше, чем выше плотность среды. В воде поглощение значительно менее выражено, чем в тканях.

Поскольку кости сильнее, чем мягкие ткани, поглощают ультразвук, растущий скелет плода при УЗИ нагревается больше, чем окружающие мягкие ткани. Разница в степени поглощения ультразвука различными тканями (как нормальными, так и патологически измененными) используется в диагностике, например жировой дистрофии печени.

Вода почти не поглощает ультразвук. Поэтому тот или иной орган, который расположен за органом, содержащим жидкость, хорошо поддается сканированию. Органы, наполненные жидкостью, такие как полный мочевой пузырь, при УЗИ матки служат хорошим УЗ-окном. Поэтому на ранних сроках беременности УЗИ матки следует выполнять при полном мочевом пузыре. Хорошим УЗ-окном служит полный мочевой пузырь при УЗИ предстательной железы надлобковым доступом или при УЗИ ворот печени, а сама печень (за счет полнокровия) - окном для УЗИ правой почки (чреспеченочный доступ). Для умелого использования таких УЗ-окон необходимо хорошо знать топографоанатомические соотношения отдельных органов.

Затухание УЗ-волны в тканях пропорционально ее частоте. Это означает, что максимальная глубина проникновения с увеличением частоты ультразвука уменьшается.

Чем большая глубина проникновения УЗ-луча необходима, тем меньшую частоту должен иметь УЗ-датчик. Однако следует учитывать, что по мере снижения частоты ультразвука уменьшается его разрешающая способность.

В зависимости от поставленной задачи врач должен найти компромисс между приемлемой разрешающей способностью и глубиной проникновения. На этом вопросе при УЗИ отдельных органов стоит остановится подробнее.

Отражение и преломление

Отражение означает, что волны частично проходят через поверхность раздела сред, а частично отражаются. Под преломлением понимают изменение направления распространения волн при переходе через поверхность раздела двух сред, в которых скорость распространения волн различна.

При переходе УЗ-волн через поверхность раздела двух сред с разными акустическими свойствами часть волн отражается подобно тому, как отражаются световые волны от поверхности стекла.

Отраженная от поверхности раздела сред часть УЗ-волн (эхо) тем больше, чем сильнее различаются импедансы граничащих акустических сред.

У воздуха очень низкий импеданс, а у костной ткани очень высокий. Различие в импедансе обусловливает отражение ультразвука от поверхности раздела сред. В результате отражения УЗ-луча (т.е. эхо-сигналов) получают УЗ-изображение. Очевидно, что граница раздела сред между мягкими тканями вследствие небольшой разницы в импедансе вызывает слабое отражение УЗ-луча, а граница раздела сред, образуемая воздухом или костями, из-за большой разницы в импедансе вызывает сильное отражение УЗ-луча.

С помощью эхографии разницу в акустическом импедансе делают видимой. Акустический импеданс зависит от скорости распространения ультразвука. Скорость ультразвука, в свою очередь, зависит от упругих свойств среды, в которой он распространяется, и от них же во многом зависит контрастность УЗ-изображения. Этим эхография отличается от других визуализационных методов исследования, таких как КТ или МРТ, где контрастность изображения определяют такие параметры, как плотность, протонная плотность и время спиновой релаксации.

Ткани или анатомические образования можно отличить друг от друга лишь в том случае, если они имеют разный акустический импеданс.

Нередко встречаются случаи, когда опухоль и ее метастазы имеют такой же акустический импеданс, как и окружающие нормальные ткани, и потому их невозможно бывает различить эхографически. С другой стороны, при УЗИ редко удается достичь такой глубины сканирования, на которой акустические импедансы существенно различаются. В этом случае общая энергия ультразвука «исчерпывается» после короткой последовательности отражений УЗ-сигналов.

На границе раздела двух сред с сильно различающимся акустическим импедансом, например между мягкими тканями и костями, почти вся энергия излученного ультразвука отражается от поверхности раздела сред («тотальное отражение»). При 100% отражении от поверхности раздела сред получить УЗ-изображение невозможно – образуется акустическая тень.

Воздух из-за большой разницы в акустическом импедансе по отношению к мягким тканям является сильным отражателем. Если между датчиком и кожей пациента находится воздух, внутренних органов достигает слишком мало энергии ультразвука, поэтому получить УЗ-изображение не удается. Для оптимального акустического контакта датчика с телом больного и предотвращения значительного отражения ультразвука необходимо использовать жидкость, которая близка тканям по своим акустическим свойствам. Для этой цели подходит вода, однако она быстро высыхает, поэтому рекомендуется использовать ультразвуковой контактный гель.

При проведении УЗИ всегда проверяйте акустический контакт датчика с телом больного. Если изображение получается все более зашумленным (искаженным) и темным, то причиной часто бывает высыхание УЗ-геля. О плохом акустическом контакте датчика говорит наличие темных полос на изображении, тянущихся от ближней зоны вглубь.

При направлении УЗ-луча сквозь тонкие слои материала с высоким импедансом значительная часть ультразвука проходит через материал, хотя можно ожидать при этом существенного ослабления интенсивности. Это происходит потому, что тонкие слои материала колеблются, как мембрана. Очень тонкие костные пластинки, такие как чешуя височной кости, могут пропускать значительную часть ультразвука, что используется при транскраниальной допплерографии для оценки состояния сосудов головного мозга. Но в тех участках черепа, где кости толще, ультразвук почти полностью отражается.

Рассеивание

Под рассеиванием понимают уплощение направленной волны вследствие частичной потери энергии.

УЗ-волны могут рассеиваться и от очень маленьких отражателей. Это можно представить как рассеивание света фар автомобиля в тумане. Световой луч, отбрасываемый фарами, в тумане имеет большую ширину. Отдельные капельки тумана, из-за которых происходит рассеивание, невидимы. Однако свет рассеивается во всех направлениях, поэтому глубина проникновения светового луча уменьшается, и, соответственно, уменьшается дальность видения для водителя. Видимость ухудшается еще и из-за отражения света. В результате контраст между предметами, которые может разглядеть водитель (например, встречные автомобили), и окружающим фоном ослабевает.

Аналогичная ситуация складывается и в УЗД. Действуя как рассеиватели, ткани ослабляют ультразвук, при этом часть энергии (интенсивности) ультразвука отклоняется в сторону, а часть – возвращается обратно к датчику. Точная интенсивность УЗ-волн, рассеиваемых в различных направлениях, зависит от соотношения размеров рассеивающих частиц и длины волны ультразвука. При довольно крупных частицах, во много раз превышающих по своим размерам длину волны, отражение преобладает над рассеиванием. Часто отдельные отражающие частицы, например эритроциты, соединительнотканные или мышечные волокна, оказываются во много раз меньше длины волны. Они могут оставаться невидимыми, но проявляется суммарный эффект рассеивания ими УЗ-волн. Однако при образовании временных агрегатов, которые по размерам сопоставимы с длиной волны (как это происходит, например, с эритроцитами), они визуализируются при УЗИ. Если размеры отражающих частиц существенно больше, чем длина УЗ-волны (более 0,3 мм в ткани печени при частоте 5 МГц), то они отражают ультразвук и можно различить лишь контур исследуемого органа. Положение отражающих частиц на УЗ-изображении соответствует макроскопической картине (как, например, в случае контуров органа, крупных кист и поверхности кости). Если поверхность раздела сред имеет такую же толщину, как длина волны или меньше, то анатомические структуры этой поверхности, например отдельные клетки, мельчайшие кровеносные сосуды или соединительнотканные пучки, уже неразличимы, а ультразвук рассеивается. В результате сложного наложения многочисленных эхо-сигналов, возникающих в ткани, образуется УЗ-изображение. Хотя это изображение - результат «хаотического процесса», тем не менее, оно тканеспецифично и характеризует эхоструктуру, или текстуру, ткани.

Под эхоструктурой (текстурой) понимают типичный вид ткани при УЗИ. Эхоструктура складывается из сложного наложения многочисленных УЗ-волн и не является непосредственным анатомическим изображением.

Поскольку отдельные светлые и темные точки на УЗ-изображении (пятнышки, англ, speckle) возникают в результате наложения эхо-сигналов, они не тождественны отдельным рассеивающим структурам.

Тривиальный факт: чем дальше человек находится от источника звука, тем слабее он воспринимает звук. Этот эффект зависит не от типа ткани, а от глубины проникновения звука. Имеют значение также геометрия источника звука, форма лучей и их фокусировка.

Как получают ультразвуковое изображение?

Принципы получения ультразвукового изображения. Принцип импульсного эха.

В основе УЗД лежит принцип импульсного эха. Суть его в том, что УЗ-аппарат посылает УЗ-импульс и затем принимает отраженный сигнал (эхо-сигнал). На основании длительности УЗ-импульса, т.е. времени между отправкой импульса и восприятием эхо-сигнала, можно, зная скорость распространения ультразвука, определить глубину, на которой возник эхо-сигнал. Кроме того, зная силу эхо-сигнала, можно судить об импедансе отражающего объекта.

УЗИ в A-режиме представляет собой наиболее простое применение принципа импульсного эха. Генератор УЗ-колебаний посылает короткий УЗ-импульс и затем переключается на режим приема. В A-режиме УЗ-аппарат работает лишь 0,1% общего времени, в течение остальных 99,9% времени он воспринимает эхо-сигналы, при этом отраженные УЗ-волны, попадая на пьезоэлектрический элемент, индуцируют в нем электрическое напряжение. Интенсивность эхо-сигналов (т.е. их амплитуда) коррелирует с величиной электрического напряжения. УЗ-аппарат воспринимает амплитуду отраженных эхо-сигналов и откладывает их на осциллоскопе на оси времени («A-изображение», А - от англ, amplitude).

Если допустить, что скорость распространения ультразвука в исследуемой ткани остается постоянной, то ось времени коррелирует с осью глубины отраженного эхо-сигнала. A-изображение показывает также интенсивность отраженных эхо-сигналов вдоль У3-луча. Для интерпретации результата исследования необходимо иметь хорошее пространственное мышление, так как специалист УЗИ получает информацию лишь вдоль одной линии и не знает, как она ведет себя в теле пациента. Исследование в А-режиме — это одномерное представление распределения интенсивности эхо-сигналов вдоль УЗ-луча в режиме реального времени.

В начале развития УЗД исследование в A-режиме было стандартным методом. В наши дни A-режим применяется при эхоэнцефалографии для наблюдения за динамикой смещения срединной линии при субдуральной гематоме.

В-режим является дальнейшим развитием A-режима. При исследовании в В-режиме на мониторе отражается распределение светлых зон (В-изображение, В - от англ. brightness - яркость), при этом каждому значению амплитуды приводят в соответствие значение яркости, оцениваемое по шкале серого в диапазоне от 0 до 255. Значению амплитуды 0 соответствует черный цвет, значению 255 - белый, например: 130 - светло-серый, 60 — темно-серый. На основании этих соответствий по кривой амплитуды эхо-сигналов выводят линию из светлых и темных точек.

Для получения сечения раньше применяли так называемый компаундный способ. В УЗ-датчике имелся один пьезоэлектрический элемент, закрепленный на механической направляющей, которая регистрировала его положения. Датчик перемещали параллельно на маленькие расстояния, и в каждой из позиций в процессе перемещения создавалось УЗ-изображение в A-режиме, которое преобразовывалось в изображение в В-режиме, состоящее из линий в градациях серого, и фиксировалось в памяти УЗ-аппарата. Затем из этих линий создавалось УЗ-сечение, компаундный скан (англ, compound - составной, комбинированный). Таким образом, УЗ-изображение получалось лишь после перемещения датчика и получения сканов.

В современных УЗ-датчиках имеется много (до 100 и более) пьезоэлементов с электронным управлением. Помимо направления и времени пробега УЗ-импульсов и интенсивности эхо-сигналов, регистрируется также локализация пьезоэлементов в датчике. На основании этих данных сразу получают УЗ-сечение (УЗИ в режиме реального времени), а позицию датчика уже не регистрируют, его свободно перемещают в нужном направлении. Поэтому по УЗ-срезам геометрическую позицию датчика на теле пациента определить уже невозможно.

Как при компаундном способе, так и при УЗИ в режиме реального времени УЗ-импульс посылают в определенном направлении и затем регистрируют эхо-сигналы, интенсивность которых выражают в градациях серого. На основании времени пробега для каждого эхо-сигнала определяют глубину залегания его источника, допустив, что скорость распространения ультразвука в тканях постоянна. На соответствующей позиции на экране появляется точка изображения в градации серого (пиксель). Ткани, которые хорошо отражают ультразвук (например, костная ткань), вызывают сильные эхо-сигналы, которым соответствуют очень яркие точки. Ткани, плохо отражающие ультразвук, вызывают слабые эхо-сигналы, которым соответствуют темные точки.

Черная область на эхограмме появляется в следующих случаях:

• слабая интенсивность ультразвука (отсутствие эхо-сигналов), например при полном отражении, когда образуется акустическая тень, или при неплотном прилегании датчика к исследуемой поверхности;

• отсутствие разницы в акустическом импедансе между озвученными структурами или тканями (отсутствие отражения).

УЗ-изображение в В-режиме — это картина распределения интенсивности эхо-сигналов в исследуемой области в режиме реального времени. Амплитуды эхо-сигналов оцениваются по шкале серого (изображение в градации серого).

Исследование в М-режиме

При исследовании в М-режиме интенсивность эхо-сигналов преобразуют вдоль УЗ-луча в градации серого с разверткой по времени. Таким образом, можно получить изображение движущихся анатомических образований (т.е. отражающих поверхностей раздела сред), например клапанов сердца. Исследование в М-режиме (М - от англ, motion - движение) применяют в основном в кардиологии.

При данном способе УЗИ датчик перемещают вдоль его длинной или короткой оси на поверхности тела и из совокупности получаемых данных формируется УЗ-изображение. В панорамном УЗ-сканировании возродился компаундный способ. Позицию датчика устанавливают уже не с помощью направляющей или беспроводных позиционных сенсоров, а современным способом обработки изображений путем постоянного сравнивания получаемых сканов друг с другом. Исследователь может наблюдать, как на экране формируется компаундный (комбинированный) скан. В УЗ-сканерах, выпускаемых ведущими компаниями, этот режим сканирования интегрирован с цветовым допплеровским картированием или допускает перемещение датчика в косой плоскости для получения трехмерного изображения.

Такие панорамные изображения принципиально не облегчают задачу исследователя. Тем не менее, они существенно помогают при информировании лечащих врачей, не столь опытных в УЗИ, о результатах исследования, так как патологический очаг на изображении виден вместе с окружающими тканями и анатомическими образованиями, поэтому он представлен более наглядно, чем на изображении, полученном в В-режиме.

Многолучевое сканирование в режиме реального времени

В основе компаундного способа также лежит получение компаундного скана в режиме реального времени. Зондирующий УЗ-луч при каждом цикле сканирования излучается под иным углом, в результате исследуемая анатомическая область охватывается УЗ-лучом, генерируемым в различных направлениях под разными углами. Отдельные изображения, которые при этом получаются в режиме реального времени, суммируются в одно. Компаундный способ позволяет в большей степени редуцировать спекл-шумы и получить улучшенное изображение границ анатомических образований, особенно если поверхность раздела сред изогнута и проходит перпендикулярно плоскости изображения.

Помимо угла падения зондирующего УЗ-луча, для каждого цикла сканирования можно варьировать также частоту колебаний. Получаемые при этом изображения также накладываются друг на друга. Это способ получения УЗ-изображения получил название «частотного компаундинга» и может применяться в комбинации с пространственным компаундингом.

Трехмерное и четырехмерное УЗИ

В клинической практике врачу, который ставит задачу исследования перед специалистом УЗИ, часто бывает необходимо получить информацию о пространственных взаимоотношениях между различными анатомическими образованиями. Это важно не только в акушерской практике для ранней диагностики пороков развития. В принципе каждое УЗИ в В-режиме представляет собой выбор наиболее подходящих УЗ-срезов из определенного объема. При этом результат исследования не в последнюю очередь зависит от компетентности и опыта исследователя, который в процессе УЗИ может образно представить пространственные взаимоотношения между, следующими друг за другом УЗ-срезами. Наш мозг, по существу, представляет собой очень гибко действующий трехмерный компьютер, но в случае диагностики пороков развития возможности его ограниченны, учитывая сложность анатомической картины. В этих случаях исследователь фактически лишается возможности образного пространственного представления при полном охвате исследуемого объема тканей и необходимости получения приемлемого изображения. Именно устранению этой трудности в процессе УЗИ, а также получению диагностической информации служит трехмерная (3D) эхография, как и ее вариант в режиме реального времени - четырехмерная (4D) эхография.

При трехмерной эхографии точки изображения называют не пикселями, а вокселями.

Технически трехмерное УЗ-изображение формируется в 2 этапа:

• сначала получают трехмерные данные амплитуды эхо-сигналов;

• затем это изображение выводят в плоскости экрана.

Если надо получить изолированное изображение отдельных структур, набор данных дополнительно сегментируют, т.е. соответствующие срезы и точки соотносят с органами и другими анатомическими структурами. Таким образом, можно в автоматизированном режиме ясно отличить околоплодные воды от эмбриона; однако значительно труднее удается отграничить, например, предстательную железу от окружающих тканей.

При получении трехмерного изображения на основании пространственных данных речь идет о том, чтобы от исследуемых тканей получить эхо-сигналы (отдельные линии или срезы) и упорядочить их в соответствии с точными пространственными взаимоотношениями. Разработаны системы, которые с помощью интегрированного в них датчика положения определяют фактический угол перемещаемого механически линейного или конвексного датчика и тем самым пространственно соотносят эхо-сигналы. При этом угол зрения датчика и угол, в пределах которого датчик поворачивают, соответствуют форме и размерам охватываемого (зондируемого) объема. Возможно и наружное определение точного положения и ориентации датчика. Практикуется, например, укрепление на датчике сенсоров, которые позволяют определить его позицию в искусственно создаваемом электромагнитном поле. Также применяют используемые при панорамном УЗИ алгоритмы для получения из отдельных сканов правильно ориентированного суммарного изображения (в данном случае - трехмерного). Эти способы позволяют вручную установить объем исследования, не ограничиваясь какой-либо одной его плоскостью.

В будущем можно ожидать еще более широкого применения датчиков с матричной (двухмерной) решеткой для получения данных об объеме.

Принципы получения и обработки сигналов

Пре- и постпроцессинг

УЗ-волны, отражаемые (эхо-сигналы) или рассеиваемые при попадании на поверхность раздела сред, преобразуются пьезоэлектрическими элементами в электрическое напряжение. Значение напряжения (сигнала) усиливают, при необходимости модифицируют (препроцессинг: усиление границы или ее сглаживание) и в соответствии со способом УЗИ (например, В- или М-режим) превращают в градации серого. Значения напряжения (при исследовании в A-режиме) или оттенки серого откладывают в так называемый накопитель изображений. Содержимое накопителя изображений выводят на экран. Пока УЗ-сканер получает изображения, содержимое накопителя и, следовательно, данные, выводимые на экран, постоянно обновляются. Скорость, с которой происходит такое обновление, называется частотой регенерации изображения. Нажатие на клавишу «Freeze» позволяет зафиксировать изображение на мониторе. Такое изображение можно затем обработать (постпроцессинг: например, изменение контрастирования).

Перед нажатием на клавишу «Freeze» важно, чтобы изображение на мониторе было неподвижным. Нет смысла «замораживать» изображение, пока датчик находится в движении. Перемещения датчика вызывают искажение изображения и снижение его резкости.

Особые способы активации УЗ-датчика. Закодированная активация

Генерирование и передача особым образом кодированных импульсов имеет два преимущества. Во-первых, в этом случае возможно излучение большего количества акустической энергии в пересчете на один УЗ-импульс без достижения при этом граничного значения отрицательного предельного давления. Во-вторых, эхо-сигналы кодированных УЗ-импульсов, которые исходят из глубоких тканей и зашумлены, после декодирования специальными способами удается лучше отфильтровать. Таким образом, отношение сигнал/шум можно увеличить до 10 дБ, а это существенно улучшает возможность распознавания патологических очагов.

Однако чтобы применить этот способ, необходимы определенные аппаратные настройки, так как недостаточно установить пьезоэлементы датчика в желаемый временной растр и, приведя в колебание коротким импульсом напряжения, послать УЗ-импульс. В первую очередь надо обеспечить пьезоэлементу желаемую форму колебаний. Получение произвольно программируемых форм импульсов требует намного больших усилий при интерпретации цифровых формирователей УЗ-луча. Однако кодирование УЗ-импульсов имеет и недостатки. УЗ-импульсы, более длинные в закодированной форме, снижают аксиальное разрешение и могут привести к образованию артефактов. Однако этот недостаток можно преодолеть за счет оптимизации кодирования и выбора подходящих фильтров для последующей расшифровки сигналов.

Высокая частота получения изображений

Для ряда новых технологий УЗИ, например для четырехмерной эхографии или эластографии, высокая частота получения изображений – обязательное условие. Однако скорость распространения УЗ-волн в ткани – постоянная величина, и при этом время прохождения УЗ-импульса от датчика до исследуемой структуры и обратно остается неизменным.

В связи с этим для повышения частоты изображений и, следовательно, сокращения времени получения данных, необходимых для построения картинки УЗ-среза, существует два пути — либо посылать сразу несколько УЗ-импульсов одновременно (или подряд друг за другом), либо уменьшить количество циклов передачи-приема. Решить проблему первым путем можно, например, за счет активации посылаемых импульсов с помощью бинарного кодирования. При втором способе, т. е. уменьшении количества циклов передачи-приема для получения полного УЗ-среза, можно прибегнуть к современному способу посылки УЗ-импульсов в сочетании с более эффективным и совершенным способом обработки сигналов. Посылая небольшое количество слабосфокусированных УЗ-лучей вместо традиционных узких, сильно сфокусированных, можно уменьшить количество циклов передачи — приема, приходящееся на одно изображение. Энергия УЗ- волн, достигших тканей, на обратном пути рассеивается, а возникающие при этом эхо-сигналы воспринимаются параллельно многочисленными пьезоэлементами, которые сохраняются и обрабатываются в дополнение к УЗ-изображению, т.е. отдельные линии сканирования высокого разрешения после приема подвергаются предварительной обработке. Количество и положение фокусных зон определяют лишь на приеме. И хотя «посылаемого» фокуса в классическом смысле больше не существует, на УЗ-сканерах, работающих с помощью данного способа, можно получить такое же качество изображения, как и на сканерах с традиционной системой получения изображения.

При данном способе изображения формируются не из линий, а из сегментов, и скорость получения изображений по этому способу во много раз (до 10 и более) увеличивается. Одиночного цикла передачи-приема бывает достаточно для получения изображения.

В качестве лимитирующего фактора, определяющего время, выступает уже производительность компьютера и программного обеспечения. Однако следует учитывать, что эти параметры все время улучшаются, что позволит в будущем иметь больше резервного времени.