книги / Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами
..pdfрий мозга, по смещению которой судят о наличии и величине гематом или других патологических нарушениях. Поскольку поглощение ульт развука тканью мозга достаточно велико и растет с увеличением часто ты, для эхоэнцефалографии используют сравнительно низкие ультра звуковые частоты - от 0,8 до 1,8 МГц. В этом диапазоне частот при средней скорости ультразвука 1500 м/с длины ультразвуковых волн со ставят 1,5...0,8 мм, а поскольку точность измерений не может превысить половины длины волны, то смещение границы между полушариями можно определить с точностью до 1_1,5 мм. При эхоэнцефалографии более высокая точность, как правило, и не требуется.
Одномерная эхография удобна и для выявления внутрибрюшинного кровотечения при травмах живота. Известно, что в норме листки брю шины в боковых отделах живота плотно соприкасаются, а при скопле нии крови или иной жидкости в брюшинной полости между ними появ ляется расстояние, легко фиксируемое одномерными эхолокаторами.
В настоящее время разработано много моделей ультразвуковых эхолокаторов для определения размеров различных тканей, значи тельно ускоривших процесс диагностики у людей и определения упи танности животных. Ультразвуковые локаторы безвредны, их исполь зование не связано с болевыми ощущениями и не требует соблюдения условий стерильности.
Эхо-методы успешно применяют в маммографии для определения изменений в молочных железах женщин и диагностики патологий выме ни. На эхограмме хорошо идентифицируются пики, свидетельствующие об отражении ультразвука от известных внутренних структур - подве шивающих связок, стенок молочных протоков, цистерн. По эхограмме можно определить асимметрию молочных желез, связанную с патологи ческими изменениями в них. Метод позволяет также обнаружить опухо ли, очаги кальцификации, а также инородные тела в молочной железе.
Весьма полезна эхография и в диагностике заболеваний прида точных пазух носа.
Чем меньше измеряемые расстояния, тем быстрее эхо-импульс вернется к ультразвуковому преобразователю. При очень малых рас стояниях этот промежуток времени может оказаться меньше так на зываемого мертвого времени - интервала между моментом посылки зондирующего импульса и моментом, когда приемная система ока жется готовой принять отраженный сигнал. Обычно это «мертвое вре мя» составляет 10...20 мкс, и сигналы, пришедшие из глубины менее 15...20 мм, просто не воспримутся. Для того чтобы исследовать ближ нюю зону, используют линии задержки, например проводят измере ния через слой воды толщиной в 25 мм, а затем вычитают его толщину из полученных результатов. В современных ультразвуковых офталь мометрах - приборах, предназначенных для исследования внутри глазных структур, - эта операция выполняется автоматически.
ность введения луча ультразвука через межреберные промежутки по зволяет без искажений и поглощения ультразвука в костной ткани практически полностью визуализировать камеры сердца и околосер дечные структуры. При этом на экране исследователь видит движу щееся изображение, что существенно обогащает диагностическую ин формацию. Секторное сканирование широко применяется при иссле дованиях органов брюшной полости, щитовидной и молочной желез, в гинекологической и акушерской практике, в офтальмологии.
Простота и легкость осуществления эхографии по сравнению с рентгенографией делает ее незаменимой в хирургии для обнаружения инородных тел, для проведения эндоскопических операций под визу альным контролем и в ряде других случаев.
Двумерная эхолокация с линейным сканированием позволяет формировать эхограммы в виде прямоугольных изображений. Такое представление эхограмм удобно, когда одновременно и в одинаковом масштабе требуется отобразить детали, находящиеся вблизи от по верхности тела и в глубине его. Линейное сканирование очень удобно при исследованиях в акушерстве, а также для визуализации почек, мо чевого пузыря и других внутренних органов.
В последнее время двумерная эхолокация все шире применяется для исследования физиологии и патологии репродуктивных органов сельскохозяйственных животных. Расстояние от поверхности тела до репродуктивных органов у мелких животных - овец, свиней, коз, кро ликов, а также собак и кошек - невелико, что позволяет вазуализовать их внутренние органы, прикладывая эхо-зонд к поверхности тела. Ин формация, полученная с помощью эхолокации, уникальна, так как ее практически невозможно получить другими способами, например трансректальной пальпацией (прощупыванием через стенку прямой кишки). У крупных животных - коров, лошадей, верблюдов - ульт развуковой сигнал сильно затухает, проходя от поверхности тела до репродуктивных органов, что существенно снижает ценность эхограмм. Увеличение интенсивности ультразвука для повышения каче ства изображений может оказаться небезвредным для организма жи вотных, и в таких случаях эхографию проводят, вводя эхо-зонд в пря мую кишку животному и располагая его над исследуемым органом.
Эхография позволяет следить за развитием плода и формировани ем его органов, проводить внутриутробную диагностику многоплодия и врожденных болезней, определять физиологическое состояние плода по сердцебиению и подвижности, прогнозировать и диагностировать гибель плода.
2.1.4. Доплеровские методы в ультразвуковой диагностике
Методы, основанные на эффекте Доплера, обладают большими возможностями и занимают важное место в ультразвуковой диагно стике. Они позволяют изучать динамику ряда физиологических про цессов в организме, оценивать скорости и направление течения крови, движение кардиоструктур и стенок кровеносных сосудов.
Эффект Доплера заключается в том, что частота волн, испускае мых источником (/о), совпадает с частотой волн, регистрируемых при емником (/*), только тогда, когда приемник и источник либо непод вижны относительно окружающей их среды, либо движутся относи тельно нее с равными по величине и совпадающими по направлению скоростями. Во всех остальных случаях / > / о . Известно, например, что тон сирены приближающегося поезда кажется более высоким, чем тон сирены поезда, удаляющегося от человека, стоящего у железнодо рожного полотна.
Принцип эффекта Доплера нетрудно понять, если представить, что источник волн (излучатель) как бы дополнительно сжимает их, если движется по направлению к приемнику, и, следовательно, приемник за регистрирует волны более высокой частоты. Обратную картину можно представить, если источник удаляется от приемника (рис. 2.4).
Можно показать, что в одном случае, когда и источник, и приемник движутся с разными по величине и направлению скоростями отно сительно окружающей среды, то частоту, регистрируемую прием ником, определяют по формуле:
Рис. 2.4. Принцип возникновения эффекта Доплера:
1 - волна от неподвижного излучателя
(И) к неподвижному приемнику (П); 2 - волна при движении излучателя к приемнику; 3 -волна при удалении из лучателя от приемника
^ и 1— соза
/ - / о
1 --со зР
с
где /о - частота, излучаемая ис точником;
и - скорость приемника;
V - скорость источника отно сительно среды;
а и р - углы между направле ниями движения соответственно источника и приемника и соеди няющей их прямой.
Эффект Доплера возникает и при отражении волн от движущейся поверхности, которую можно рассматривать как движущийся прием ник волн, излучаемых источником, и в то же время как движущийся источник отраженных волн.
Разность частот сигналов, излучаемых источником и принимае мых приемником после отражения от движущейся поверхности, назы вают доплеровской частотой, которая определяется по формуле
/ д » / ± / 0 -
Знаки «+» или «-» показывают, приближается ли к неподвижным относительно друг друга источнику и приемнику отражающая поверх ность или удаляется от них. Если скорость движения отражающей вол ну поверхности (я) значительно ниже скорости распространения волн в среде (что справедливо для всех применений эффекта Доплера в диаг ностике), то доплеровскую частоту можно вычислить по формуле
/д =2/о-С05ф,
с
где <р - угол падения волны на отражающую поверхность. Частота, регистрируемая приемником, очевидно равна
/= / 0 ± / д
Вдоплеровских методах диагностики применяют ультразвук с частотой 2 МГц.
Если принять скорость ультразвука в тканях равной 1500 м/с, а скорость движения стенки аорты при ее пульсациях примерно равной 1 м/с, то в случае, когда ультразвуковая волна падает нормально (пер пендикулярно) к поверхности аорты, доплеровская частота окажется равной примерно 2,7 кГц, т. е. лежит в звуковом диапазоне. Именно поэтому электрический сигнал, несущий доплеровскую частоту, не редко выводят на наушники. Этот сигнал можно записать на обычный магнитофон и использовать для аналитических или учебных целей, либо записать на бумажную ленту в виде доплерэхограммы.
Для возникновения эффекта Доплера необязательно, чтобы ульт развук отражался от сплошной движущейся поверхности. Этот эф фект возникает и при отражении акустических волн от частиц, взве шенных в жидкости и движущихся вместе с ее потоком. Если взве шенные в жидкости частицы движутся с такой же скоростью, что и сама жидкость (как это происходит в случае вязких жидкостей), то, вычислив скорость течения жидкости по доплеровской частоте, мож но определить объемный расход жидкости в потоке по формуле
<2 = и$,
где 5 - площадь сечения потока (например, кровеносного сосуда). Этот эффект используется в приборах, называемых доплеровскими расходомерами.
Вдоплеровской диагностике используется как непрерывный, так
иимпульсный ультразвук. Применение непрерывного ультразвука да ет возможность достичь высокой чувствительности, достаточной для регистрации кровотока в небольших кровеносных сосудах, в том чис ле у плода на ранних стадиях беременности матери, но не позволяет определить расстояние до подвижного препятствия. Доплеровские методы, основанные на применении импульсного ультразвука, обла дают несколько меньшей чувствительностью, но позволяют опреде лить расстояние от поверхности тела до подвижных отражающих структур - стенок сердца, сосудов, клеток крови.
Доплеровские методы весьма информативны в кардиологии, в
акушерстве и других областях медицины и ветеринарии. При иссле дованиях, например гемодинамики, доплеровские расходомеры по зволят определять ряд важных параметров кровотока в сосудистой системе, например скорости движения эритроцитов. Для этого дат чик, в котором находятся источник и приемник ультразвука, приво дят в акустический контакт с кожей, через которую ультразвук про ходит в глубь тела и пересекает исследуемый кровеносный сосуд под углом (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Определение скоростей движения эрит роцитов в кровеносном сосуде:
УЗГ - генератор электромагнитных колебаний ультра звуковой частоты: Э, и Э2 - эхозонды, расположенные под углом друг к другу; Р - регистрирующее устройство; А, А,, В, В, - точки пересечения ультразвуковых лучей со стенками сосудов; а - угол между ультразвуковым лучом
от эхозонда Э2 и осью сосуда
Если ультразвук отражается от статических структур, которые встречаются на его пути от источника до сосуда, то частота звука не меняется. Отражение ультразвука от пульсирующих стенок сосуда и от движущихся вместе с плазмой форменных элементов крови (в ос новном от эритроцитов) сопровождается эффектом Доплера. По скольку скорость пульсации стенок сосуда значительно меньше ско рости движения эритроцитов, то доплеровская частота, вызванная движением стенок сосудов / дс, значительно меньше чем частота, обу словленная движением эритроцитов. Сигналы эти поддаются разделе нию, хотя мощность сигнала от стенок сосуда примерно в 30 раз боль ше мощности сигнала от эритроцитов. Различия в уровне сигналов объясняются тем, что пульсирующая поверхность стенки сосуда зна чительно превышает общую поверхность движущихся эритроцитов.
По изменению частоты в большую или меньшую сторону допле ровские методы позволяют определить и направление течения крови. Исследования показали, что в ряде случаев при сердечно-сосудистых заболеваниях в артериях может возникнуть противоток крови. При нормальном кровотоке, как и при течении любой вязкой жидкости, скорость увеличивается от стенки к центру трубы, и концы векторов скорости составляют параболическую поверхность. В случае противо тока эта поверхность имеет более сложную форму. Исследование про тивотока имеет большое значение для диагностики сердечно-сосуди стых заболеваний.
Особенно интересен и перспективен метод артериографии, позво ляющий получать двумерное изображение кровотока. Доплеровский датчик с помощью особого устройства перемещают вдоль кровеносно го сосуда, одновременно двигая его в плоскости, перпендикулярной оси сосуда(сканирование).
Артериограмма не только отражает форму сосуда и его разветвле ния, но и по яркости изображения позволяет оценить скорость крово тока в нем. По артериограмме легко определить места стенозов, по скольку в этих областях скорость кровотока увеличивается и допле ровские частоты возрастают. Хорошо видны и места закупорки сосудов, а также области отложения кальция, препятствующего рас пространению ультразвука и снижающего яркость изображения.
Рассеяние ультразвука может происходить не только на формен ных элементах крови, но и на частичках жира, взвешенных в молоке. Поэтому доплеровский расходомер можно применять и для исследо вания потока молока, что весьма важно при сравнении условий дое ния животных и кормления молодняка. Для этого к соску прикрепля ют датчик малых размеров, не препятствующий процессу кормления. Исследования показали, что если в процессе доения скорость истече ния молока почти не изменяется, так как усилия, прикладываемые к соску, остаются практически постоянными, то в процессе кормления
объемный расход молока и соответственно скорость его потока меня ются в 60-70 раз, уменьшаясь к концу кормления пропорционально степени насыщения и усталости детеныша.
Рассеяние ультразвука происходит и на газовых пузырьках, попа дающих в кровеносные сосуды при декомпрессии, а также при некото рых операциях. Доплеровские частоты, возникающие при отражении ультразвука от газовых пузырьков, хорошо регистрируются на слух. При этом в наушнике или громкоговорителе слышны звуки, похожие на шипение испорченной граммофонной пластинки. Следует отме тить, что газовые пузырьки в кровеносных сосудах в некоторых случа ях можно обнаружить и с помощью стетоскопа, но с гораздо меньшей чувствительностью. Так, при введении в сердце свиньи 0,1 мл воздуха его уже можно зарегистрировать ультразвуковыми доплеровскими методами, тогда как обычный стетоскоп позволяет различать появле ние характерных шумов, если введено не менее 1 мл газа.
Доплеровский метод позволяет легко определять, как снабжается кровью тот или иной орган, обнаруживать в венах тромбы с точностью до 50 % (обычные методы позволяют делать это с точностью, не пре вышающей 5 %), отличать желчные протоки от кровеносных сосудов.
Опыт, накопленный при использовании доплеровских методов в медицине, делает их весьма перспективными для диагностики ряда за болеваний сельскохозяйственных животных. Метод ультразвуковой доплерэхокардиографии был, например, весьма успешно использован для сравнительных исследований особенностей сердечной деятельно сти у телят при их воспитании в зимнее время на открытой площадке. Сравнение доплеровской эхотахокардиограммы телят с их электро кардиограммой и электрограммой дыхательных органов позволило выявить типичные, соответствующие отдельным фазам сердечного цикла изменения.
При выращивании телят на холоде зубцы эхотахограммы отлича ются относительно высокими амплитудами, что свидетельствует о бо лее энергичном сокращении сердечной мышцы, чем у телят, содержа щихся в помещении.
Ультразвуковая эхотахокардиография выгодно отличается от электрокардиографии устойчивостью к электрическим помехам, не большой массой измерительной аппаратуры, а также встроенным электропитанием, что позволяет использовать ее в полевых условиях.
Доплеровские эхо-методы нашли широкое применение в гинеколо гии и акушерстве. Они позволяют регистрировать сердцебиение плода, устанавливать многоплодие, измерять скорость течения крови в пупоч ных артериях, движения жидкости в пуповине, делать заключение о на личии эмболии (т. е. переносе током крови частиц, вызывающих заку порку сосудов), контролировать работу мочевого пузыря у плода.
2.1.5. Трехмерные и движущиеся трехмерные изображения
Первые ультразвуковые приборы для визуализации внутренних органов стали разрабатываться в 1955 г., а уже в 1989 г. в Австрии поя вился «трехмерный» аппарат. Качество изображений было весьма низким. На получение одного статического трехмерного изображения уходило до получаса, и метод не нашел широкого применения в меди цине. В 1996 г. благодаря успехам в разработке новых компьютерных технологий появился сканер с возможностью трехмерной реконструк ции в реальном времени, и трехмерная ультразвуковая визуализация стала находить все более широкое применение в медицине.
Ультразвуковые аппараты для получения трехмерных изображе ний отличаются от двумерных лишь наличием специального встроен ного компьютерного модуля. Компьютер последовательно накаплива ет полученные двумерные изображения и реконструирует их в трех мерную картину, которая и выводится на экран монитора. Необходимо отметить, что частота сканирования, интенсивность и мощность ультразвука остаются такими же, как и при обычном ульт развуком исследовании. Иными словами, по способу получения пер вичной информации трехмерная визуализация ничем не отличается от двумерной, однако мощная компьютерная поддержка существенно расширяет ее диагностические возможности.
Если для создания трехмерного изображения система определяет объем объекта (например, ребенка в утробе матери), а затем реконст руирует изображение в трех измерениях, то в так называемой 415-сис теме визуализации (три пространственных измерения плюс время) новейшие вычислительные устройства в реальном времени реконст руируют объемные изображения, выстраивая их в движущийся ряд. Система 4Л-ультразвуковой визуализации позволяет увидеть в дви жении все внутренние органы, а ребенка в утробе почти таким, каким он выглядит на самом деле.
2.2. УЛЬТРАЗВУК В ДИАГНОСТИКЕ СОСТОЯНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ
Прижизненное измерение физических параметров костной ткани оказалось возможным после разработки целого ряда рентге нологических и радиологических методов. Это и рентгенограмметрия, дающая размеры и форму кости, и рентгенографическая фотоденситометрия, позволяющая оценивать содержание кальция в костной ткани по рентгенофотометрической плотности, иными словами, по степени почернения рентгенограммы. Этот метод ши роко применяется в медицине и ветеринарии. Он позволил обна-