Принцип работы УЗИ аппарата. Ультразвуковой датчик

Под ультразвуком понимают звуковые волны, частота которых находится вне диапазона частот, воспринимаемых человеческим ухом.

Открытие ультразвука восходит к наблюдениям за полетом летучих мышей. Ученые, завязывая глаза летучим мышам, установили, что эти животные не утрачивают ориентировку в полете и могут обходить препятствия. Но после того как им закрывали также уши, ориентировка в пространстве у летучих мышей нарушалась и они сталкивались с препятствиями. Это позволило сделать вывод, что летучие мыши в темноте ориентируются с помощью звуковых волн, не улавливаемых человеческим ухом. Эти наблюдения были сделаны уже в XVII веке, тогда же был предложен термин «ультразвук». Летучая мышь для ориентировки в пространстве излучает короткие импульсы УЗ-волн. Эти импульсы, отражаясь от препятствий, воспринимаются спустя некоторое время ухом летучей мыши (феномен эха). По времени, которое проходит от момента излучения УЗ-импульса до восприятия отраженного сигнала, животное определяет расстояние до предмета. Кроме того, летучая мышь может также определить направление, по которому возвращается эхо-сигнал, локализацию предмета в пространстве. Таким образом, она посылает УЗ-волны и воспринимает затем отраженную картину окружающего ее пространства.

Принцип УЗ-локации лежит в основе работы многих технических устройств. По так называемому принципу импульсного эхо-сигнала работает гидролокатор, определяющий положение судна относительно косяков рыбы или морского дна (эхолот), а также аппараты УЗ-диагностики (УЗД), применяемые в медицине: аппарат излучает УЗ-волны, затем воспринимает отраженные сигналы, и по времени, прошедшему от момента излучения до момента восприятия эхо-сигнала, определяют пространственное положение отражающей структуры.

Что такое звуковые волны?

Звуковые волны - это механические колебания, распространяющиеся в пространстве подобно волнам, возникающим после того, как в воду бросили камень. Распространение звуковых волн в значительной степени зависит от вещества, в котором они распространяются. Объясняется это тем, что звуковые волны возникают лишь при колебании частиц вещества.

Поскольку распространение звука возможно только от материальных предметов, в вакууме звук не образуется (на экзаменах часто задают вопрос «на засыпку»: как распространяется звук в вакууме?).

Звук в среде может распространяться как в продольном, так и в поперечном направлении. УЗ-волны в жидкостях и газах продольные, так как отдельные частицы среды колеблются вдоль направления распространения звуковой волны. Если плоскость, в которой колеблются частицы среды, располагается под прямым углом к направлению распространения волны, как, например, в случае морских волн (колебания частиц в вертикальном направлении, а распространение волны – в горизонтальном), говорят о поперечных волнах. Такие волны наблюдаются и в твердых телах (например, в костях). В мягких тканях ультразвук распространяется преимущественно в виде продольных волн.

Когда отдельные частицы продольной волны смещаются по направлению друг к другу, их плотность, а, следовательно, и давление в веществе среды в этом месте возрастает. Если частицы расходятся друг от друга, локальная плотность вещества и давление в этом месте снижаются. УЗ-волна образует зоны пониженного и повышенного давления. При прохождении УЗ-волны через ткань это давление очень быстро меняется в точке среды. Чтобы отличить давление, образуемое УЗ-волной, от постоянного давления среды, его называют также переменным, или звуковым, давлением.

Параметры звуковой волны

К параметрам звуковой волны относятся:

• Амплитуда (А), например максимальное звуковое давление («высота волны»).

• Частота (v), т.е. количество колебаний за 1 с. Единицей измерения частоты является герц (Гц). В диагностических аппаратах, применяемых в медицине, используют диапазон частот от 1 до 50 МГ ц(1 МГц = 106Гц, обычно диапазон 2,5-15 МГц).

• Длина волны (λ), т.е. расстояние до соседнего гребня волны (точнее, минимальное расстояние между точками с одинаковой фазой).

• Скорость распространения, или скорость звука (с). Она зависит от среды, в которой распространяется звуковая волна, а также от частоты.

Существенное влияние оказывают давление и температура, но в физиологическом диапазоне температур этим влиянием можно пренебречь. Для каждодневной работы полезно помнить, что чем плотнее среда, тем больше скорость распространения звука в ней.

Скорость распространения звука в мягких тканях равна примерно 1500 м/с и повышается с увеличением плотности тканей.

Эта формула занимает центральное место в медицинской эхографии. С ее помощью можно вычислить длину волны λ ультразвука, позволяющую определить минимальный размер анатомических структур, которые еще видимы при УЗИ. Те анатомические структуры, размер которых меньше длины УЗ-волны, при УЗИ уже неразличимы.

Длина волны позволяет получить довольно грубое изображение и не годится для оценки небольших структур. Чем выше частота ультразвука, тем меньше длина волны и размер анатомических структур, которые еще можно различить.

Возможность детализации возрастает с увеличением частоты ультразвука. При этом уменьшается глубина проникновения ультразвука в ткани, т.е. снижается его проникающая способность. Таким образом, с увеличением частоты ультразвука уменьшается доступная глубина исследования тканей.

Длина волны ультразвука, применяемого при эхографии для исследования тканей, колеблется от 0,1 до 1 мм. Более мелкие анатомические структуры идентифицировать не удается.

Как получают ультразвук?

Пьезоэлектрический эффект

Получение ультразвука, применяемого в медицинской диагностике, основывается на пьезоэлектрическом эффекте – способности кристаллов и керамики деформироваться под действием приложенного электрического напряжения. Под действием переменного напряжения кристаллы и керамика периодически деформируются, т.е. возникают механические колебания и образуются УЗ-волны. Пьезоэлектрический эффект обратим: УЗ-волны вызывают деформацию пьезоэлектрического кристалла, которая сопровождается возникновением электрического напряжения, поддающегося измерению. Таким образом, пьезоэлектрические материалы служат как генераторами УЗ-волн, так и их приемниками.

При возникновении УЗ-волны она распространяется в соединяющей среде. «Соединяющая» означает, что между генератором ультразвука и средой, в которой он распространяется, существует очень хорошая звуковая проводимость. Для этого обычно применяют стандартный УЗ-гель.

Для облегчения перехода УЗ-волн с твердой керамики пьезоэлемента на мягкие ткани его покрывают специальным УЗ-гелем.

При чистке УЗ-датчика следует соблюдать осторожность! Согласующий слой в большинстве УЗ-датчиков портится при повторной обработке спиртом из «гигиенических» соображений. Поэтому при чистке УЗ-датчика необходимо строго следовать инструкции, прилагаемой к аппарату.

Строение ультразвукового датчика

Генератор УЗ-колебаний состоит из пьезоэлектрического материала, большей частью керамического, на передней и задней стороне которого находятся электрические контакты. На переднюю сторону, обращенную к больному, нанесен согласующий слой, который предназначен для оптимального проведения ультразвука в ткани. На задней стороне пьезоэлектрические кристаллы покрыты слоем, который сильно поглощает ультразвук, что препятствует отражению УЗ-волн в разные стороны и ограничивает подвижность кристалла. Это позволяет добиться того, чтобы УЗ-датчик излучал как можно более короткие УЗ-импульсы. Длительность импульса - определяющий фактор осевой разрешающей способности.

Датчик для УЗИ в В-режиме, как правило, состоит из многочисленных мелких, примыкающих друг к другу керамических кристаллов, которые настраивают по отдельности или группами.

УЗ-датчик очень чувствителен. Это объясняется, с одной стороны, тем, что он в большинстве случаев содержит керамические кристаллы, которые очень хрупки, с другой – тем, что составные элементы датчика расположены с большой точностью друг возле друга и при механическом встряхивании или ударах могут сместиться или сломаться. Стоимость современного УЗ-датчика зависит от типа оборудования и примерно равна стоимости автомобиля среднего класса.

Перед транспортировкой УЗ-аппарата надежно закрепите УЗ-датчик на аппарате, а лучше отсоедините его. Датчик при падении легко ломается, и даже незначительные его сотрясения могут вызвать серьезное повреждение.

В диапазоне применяемых в медицинской диагностике частот невозможно получить резко сфокусированный луч, подобный лазерному, которым можно «зондировать» ткани. Однако для получения оптимального пространственного разрешения необходимо стремиться максимально уменьшить диаметр УЗ-луча (в качестве синонима УЗ-луча иногда употребляют термин «УЗ-луч» — этим подчеркивается, что в случае УЗ-поля речь идет о пространственной структуре, которая в идеале имеет минимальный диаметр).

Чем меньше УЗ-луч, тем лучше видны при УЗИ детали анатомических структур.

Поэтому ультразвук по возможности фокусируют на определенную глубину (несколько глубже исследуемой структуры), с тем, чтобы УЗ-луч образовал «талию». Фокусируют ультразвук либо с помощью «акустических линз», либо, подавая на отдельные пьезокерамические элементы преобразователя импульсные сигналы с различными взаимными сдвигами во времени. При этом фокусирование на большую глубину требует увеличения активной поверхности, или апертуры, УЗ-преобразователя.

При сфокусированном датчике в УЗ-поле выделяют три зоны:

• ближнюю;

• фокусную;

• дальнюю.

Наиболее четким УЗ-изображение получается тогда, когда исследуемый объект находится в фокусной зоне УЗ-луча. Объект располагается в фокусной зоне, когда УЗ-луч имеет наименьшую ширину, а значит, его разрешающая способность максимальна.

Ближняя ультразвуковая зона

Ближняя зона примыкает непосредственно к УЗ-датчику. Здесь УЗ-волны, излучаемые поверхностью различных пьезокерамических элементов, накладываются друг на друга (другими словами, происходит интерференция УЗ-волн), поэтому образуется резко неоднородное поле. Поясним это на наглядном примере: если бросить в воду пригоршню камешков, то круговые волны, расходящиеся от каждого из них, накладываются друг на друга. Вблизи места падения камешка, соответствующего ближней зоне, волны нерегулярные, но на некотором отдалении постепенно приближаются к круговым. Попробуйте хоть раз проделать такой эксперимент вместе с детьми, когда прогуливаетесь возле воды! Выраженная неоднородность ближней УЗ-зоны образует нечеткое изображение. Сама однородная среда в ближней зоне выглядит как чередующиеся светлые и темные полосы. Поэтому ближняя УЗ-зона для оценки изображения почти или вовсе не годится. Этот эффект наиболее выражен у конвексных и секторных датчиков, которые излучают расходящийся УЗ-луч; у линейного датчика неоднородность ближней зоны выражена в наименьшей степени.

Можно определить, как далеко распространяется ближняя УЗ-зона, если, поворачивая регулятор, будете усиливать сигнал, одновременно наблюдая за УЗ-полем, примыкающим к датчику. Ближнюю УЗ-зону можно распознать по белой пелене вблизи датчика. Попробуйте сравнить ближнюю зону линейного и секторного датчиков.

Поскольку ближняя УЗ-зона неприменима для оценки изображения объекта, при проведении УЗИ стремятся минимизировать ближнюю зону и при помощи различных способов вывести ее из исследуемой области. Это можно сделать, например, подобрав оптимальное положение датчика или путем электронного выравнивания неравномерности УЗ-поля. Но на практике добиться этого проще всего с помощью так называемого буфера, заполненного водой, который помещают между датчиком и объектом исследования. Это позволяет вывести шум ближней зоны из области расположения исследуемого объекта. Обычно в качестве буфера применяют специальные насадки для отдельных датчиков или универсальную гелевую прокладку. Вместо воды в настоящее время используют пластиковые насадки на основе силикона.

При поверхностном расположении исследуемых структур применение буфера может существенно улучшить качество УЗ-изображения.

Фокусная зона

Фокусная зона характеризуется тем, что, с одной стороны, диаметр (ширина) УЗ-луча здесь наименьший, а с другой стороны, из-за эффекта собирательной линзы интенсивность ультразвука наибольшая. Это позволяет получать высокое разрешение, т.е. возможность отчетливо различать детали исследуемого объекта. Поэтому анатомическое образование или объект, который предстоит исследовать, необходимо располагать в фокусной зоне.

Дальняя ультразвуковая зона

В дальней УЗ-зоне луч ультразвука расходится. Поскольку при прохождении через ткани УЗ-луч ослабляется, интенсивность ультразвука, особенно высокочастотная его составляющая, снижается. Оба этих процесса отрицательно влияют на разрешающую способность, а следовательно, и на качество УЗ-изображения. Поэтому при исследовании в дальней УЗ-зоне четкость объекта утрачивается – тем больше, чем он дальше отстоит от датчика.

Разрешающая способность аппарата

Разрешающая способность системы визуального исследования, как оптическая, так и акустическая, определяется минимальным расстоянием, при котором два объекта на изображении воспринимаются как отдельные. Разрешающая способность - важный качественный показатель, характеризующий эффективность визуализационного метода исследования.

На практике часто упускают из виду, что повышение разрешающей способности имеет смысл лишь тогда, когда исследуемый объект по своим акустическим свойствам существенно отличается от окружающих тканей, т.е. имеет достаточную контрастность. Увеличение разрешающей способности при отсутствии достаточной контрастности не улучшает диагностические возможности исследования. Аксиальная разрешающая способность (в направлении распространения УЗ-луча) лежит в области удвоенного значения длины волны. Строго говоря, решающее значение имеет длительность отдельных излучаемых импульсов. Она бывает несколько больше двух последовательных колебаний. Это означает, что при датчике с рабочей частотой 3,5 МГц тканевые структуры размером 0,5 мм теоретически должны восприниматься как отдельные структуры. На практике это наблюдается лишь при условии, что структуры достаточно контрастны.

Боковая (латеральная) разрешающая способность зависит от ширины УЗ-луча, а также от фокусировки и, соответственно, от глубины исследования. В связи с этим разрешающая способность значительно варьирует. Наибольшее разрешение отмечается в фокусной зоне и равно примерно 4-5 длинам волны. Таким образом, латеральное разрешение в 2-3 раза слабее аксиального. В качестве типичного примера можно привести УЗИ протока поджелудочной железы. Просвет протока удается отчетливо визуализировать лишь тогда, когда он располагается перпендикулярно направлению УЗ-луча. Расположенные слева и справа под другим углом части протока уже не видны, потому что аксиальное разрешение сильнее латерального.

Сагиттальная разрешающая способность зависит от ширины УЗ-луча в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования, и характеризует разрешение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, и, следовательно, толщину пласта изображения. Сагиттальная разрешающая способность, как правило, хуже, чем аксиальная и латеральная. В инструкции, прилагаемой к УЗ-аппарату, этот параметр упоминается редко. Однако следует исходить из того, что сагиттальная разрешающая способность не может быть лучше латеральной и что эти два параметра сопоставимы лишь в сагиттальной плоскости в фокусной зоне. У большинства УЗ-датчиков сагиттальный фокус устанавливают на определенную глубину и выражен он не совсем четко. На практике сагиттальное фокусирование УЗ-луча осуществляют путем использования в датчике согласующего слоя в качестве акустической линзы. Вариабельное фокусирование перпендикулярно плоскости изображения, таким образом, уменьшение толщины этого слоя достижимо лишь с помощью матрицы пьезоэлементов.

В тех случаях, когда перед врачом, проводящим исследование, поставлена задача детального описания анатомической структуры, необходимо исследовать ее в двух по возможности взаимно перпендикулярных плоскостях, если это позволяют сделать анатомические особенности изучаемой области. При этом разрешающая способность уменьшается от аксиального направления к латеральному и от латерального к сагиттальному.

Типы ультразвуковых датчиков

В зависимости от расположения пьезоэлектрических элементов различают три типа УЗ-датчиков:

• линейные;

• секторные;

• конвексные.

В линейных датчиках пьезоэлектрические элементы расположены вдоль прямой раздельно или группами и излучают УЗ-волны в ткани параллельно. После каждого прохождения через ткани появляется прямоугольное изображение (за 1 с - порядка 20 изображений или более). Преимущество линейных датчиков состоит в возможности получения высокого разрешения вблизи расположения датчика (т.е. относительно высокое качество изображения в ближней зоне), недостаток – в небольшом поле УЗ-обзора на большой глубине (объясняется это тем, что, в отличие от конвексного и секторного датчиков, УЗ-лучи линейного датчика не расходятся).

Датчик с фазированной решеткой напоминает линейный датчик, но имеет меньшие размеры. Он состоит из ряда кристаллов с раздельной настройкой. Датчики этого типа создают на мониторе изображение секторного датчика. В то время как в случае механического секторного датчика направление УЗ-импульса определяется поворотом пьезоэлемента, при работе с датчиком с фазированной решеткой направленный сфокусированный УЗ-луч получают путем смещения по времени (фазовый сдвиг) всех активируемых кристаллов. Это значит, что отдельные пьезоэлектрические элементы активируются с задержкой по времени и в результате УЗ-пучок излучается в косом направлении. Это позволяет фокусировать УЗ-луч в соответствии с поставленной задачей исследования (электронное фокусирование) и одновременно существенно улучшить разрешение в нужной части УЗ-изображения. Еще одно преимущество состоит в возможности динамического фокусирования принимаемого сигнала. При этом фокус во время приема сигнала устанавливают на оптимальную глубину, что также заметно улучшает качество изображения.

В механическом секторном датчике в результате механического колебания элементов преобразователя УЗ-волны излучаются в различных направлениях, поэтому формируется изображение в виде сектора. После каждого прохождения через ткань формируется изображение (10 и более за 1 с). Преимущество секторного датчика состоит в том, что он позволяет получить широкое поле обзора на большой глубине, а недостаток - в невозможности исследования в ближней зоне, так как поле зрения вблизи датчика слишком узкое.

В конвексном датчике пьезоэлектрические элементы расположены друг возле друга по дуге (изогнутый датчик). Изображение по качеству представляет собой нечто среднее между изображением, получаемым линейным и секторным датчиками. Конвексный датчик, как и линейный, характеризуется высоким разрешением в ближней зоне (хотя оно и не достигает разрешения линейного датчика) и при этом широким полем обзора в глубине тканей — подобно секторному датчику.

Лишь при двухмерном расположении элементов УЗ-преобразователя в форме матрицы удается фокусировать УЗ-луч одновременно в латеральном и сагиттальном направлении. Эта так называемая матрица пьезоэлементов (или двухмерная матрица) дополнительно позволяет получить данные о трех измерениях, без чего сканирование объема тканей, находящегося перед датчиком, невозможно. Изготовление матрицы пьезоэлементов – трудоемкий процесс, требующий применения новейших технологий, поэтому лишь в последнее время фирмы-производители стали оснащать выпускаемые ими УЗ-аппараты конвексными датчиками.