Физика ультразвука

1.

Кафедра ультразвуковой диагностики
ФИЗИКА
УЛЬТРАЗВУКА

2.

3.

4.

История ультразвука
1940-е годы:
Людвиг и Струтерс определили скорость
ультразвука в мягких тканях – 1540 м/сек.
Джон Джулиан Уайлд сканировал кишечник в «А»
режиме, разработал устройство для
диагностики рака груди.
Дуглас Хаури разработал первый линейный
контактный сканер.

5.

1953 год – кардиолог Эдлер и инженер Герц
сконструировали первый эхокардиограф

6.

История ультразвука
1955 г. Йаффе обнаружил пьезоэлектрические
свойства поляризованных твердых растворов
свинца, цирконата, титаната.
Начало 1960-х. Ян Дональд. Огромное
количество исследований в сфере УЗ.
Разработал первую переносную контактную УЗ
машину. Утвердил концепцию о главной роли
ультразвука в медицинской диагностике.
«Медицинский гидролокатор весьма внезапно
вырос и достиг совершеннолетия; фактически,
его всплеск роста в пределах последних
нескольких лет был почти взрывом»
(1976г. Ян Дональд )

7.

Основы
ультразвуковой
диагностики

8.

Основы ультразвуковой диагностики
Звук – это механическая продольная волна,
в которой колебания частиц находятся в той
же плоскости, что и направление
распространения энергии

9.

Основы ультразвуковой диагностики
Период колебания – время, необходимое для
получения одного полного цикла (сек, мсек)
Длина волны – длина, которую занимает в
пространстве одно полное колебание (см, мм)

10.

Основы ультразвуковой диагностики
Амплитуда УЗ волны – максимальное
отклонение наблюдаемой физической
переменной от среднего значения

11.

Основы ультразвуковой диагностики
2 цикла в 1 с = 2 Гц
Частота – число полных колебаний (циклов) за
период времени (сек).
Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц
(МГц). Один герц — это одно колебание в секунду.

12.

13.

Интенсивность – отношение мощности волны
к площади, по которой распределяется
ультразвуковой поток. Измеряется в Вт/см².
Пропорциональна квадрату амплитуды.
Чем меньше площадь потока, тем выше
интенсивность

14.

Основы ультразвуковой диагностики
Скорость распространения ультразвука –
скорость, с которой волна перемещается в
среде ( м/cек, мм/мсек).
Скорость = длина волны × частота
Скорость увеличивается при уменьшении
плотности среды и возрастании ее упругости.

15.

Основы ультразвуковой диагностики
Закономерности распространения ультразвука
в биологических средах.
Распространение ультразвука зависит от
плотности, структуры, однородности, вязкости и
сжимаемости тканей.
АИ = П × С
АИ – акустический импеданс (или
аккустическое сопротивление)
П - плотность среды,
С - скорость распространения УЗ в среде

16.

Отражение
– это изменение направления распространения УЗ
волны на границе раздела сред на противоположное

17.

Основы ультразвуковой диагностики
Закономерности отражения
1.Величина отражения ультразвука прямо
пропорциональна разности акустических
импедансов сред.
2.Ультразвук отражается от обьектов, размеры
которых составляют не менее 1/4 длины волны.
3.Угол падения ультразвука
равен углу отражения.
4.Чем ближе угол падения к 90 градусам, тем
больше величина отраженного ультразвука.

18. Отражатели

• Зеркальные (диафрагма, стенка
наполненного мочевого пузыря) – угол
падения равен углу отражения
• Диффузные (большинство тканей
организма) – отражение УЗ происходит
во всех направлениях

19. Преломление

• Это изменение направления
распространения волн при переходе
границы раздела сред, что вызывает
геометрические искажения получаемого
объекта

20.

Основы ультразвуковой диагностики
Закономерности преломления
1. На границе раздела двух сред, в случае
если ультразвук распространяется под углом к
границе, происходит его преломление.
2. Угол преломления УЗ-волны
не равен углу падения.

21.

• Рассеяние – возникновение множественных
изменений направления распространения
ультразвука, обусловленное неоднородностью
биологической среды и являющееся результатом
многочисленных отражений и преломлений
• Поглощение – переход энергии УЗ волн в другие
виды энергии (тепло), вызванный вязкостью
среды.

22.

Основы ультразвуковой диагностики
Затухание
Затухание ультразвуковых колебаний происходит
в результате расхождения, рассеивания и
поглощения.
Коэффициент затухания – это ослабление
ультразвукового сигнала на единицу длины пути
этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания
возрастает с увеличением частоты.

23.

Основы ультразвуковой диагностики
Глубина проникновения ультразвука
(проникающая способность)
Зависит от плотности среды и частоты ультразвука

24.

Основы ультразвуковой диагностики
Глубина проникновения ультразвука
(проникающая способность)
D – расстояние от датчика до объекта
∆t – время, за которое УЗ прошел расстояние до
границы раздела сред и обратно
1540 м/с – скорость распространения УЗ в
тканях
1540 t
D
2

25. Даже на современном уровне технического развития УЗ аппарат не в состоянии учесть влияния всех физических явлений на получаемое

изображение

26. Основные характеристики ультразвуковых сканеров

27. 1. Пространственная разрешающая способность

• Минимальное расстояние между
объектами, при котором они
воспринимаются раздельно
• Различают продольную (осевую) и
поперечную

28.

Основы ультразвуковой диагностики
Продольная (осевая) разрешающая способность –
минимальное расстояние вдоль оси ультразвукового
пучка между двумя идентично рассеивающими объемами
или мишенями на определенной глубине, эхо-сигналы от
которых можно наблюдать разделенными друг от друга.
Она определяется числом колебаний в импульсе.

29.

Основы ультразвуковой диагностики
Поперечная разрешающая способность –
максимальное разделение двух линейных мишеней,
расположенных перпендикулярно оси ультразвукового
пучка и в плоскости ультразвукового сканирования на
определённой глубине в исследуемом объекте,
эхосигналы от которых можно наблюдать разделёнными
друг от друга. Поперечная разрешающая способность
определяется фокусировкой.

30. Разрешающая способность УЗ приборов среднего класса

31. 2. Чувствительность

• Способность обнаруживать малые
элементы структуры на фоне мешающих
сигналов (помех) и собственных шумов
системы
• Зависит от качества датчика
• Определяет максимальную рабочую
глубину работы прибора

32. 3. Динамический диапазон

• Способность УЗ системы отображать
одновременно малые и большие сигналы,
передавая различие в их уровне
• Количественно определяется
отношением максимального сигнала к
минимальному
• Определяет контрастную разрешающую
способность

33. 4. Временная разрешающая способность

• Характеризует способность системы
воспринимать и отображать с
достаточной скоростью изменение
акустических характеристик
биологических структур во времени
• Зависит от частоты кадров в секунду
• Для исследования ССС – не менее 16-20

34. Технический уровень УЗ приборов

Простые приборы
Приборы среднего класса
Приборы повышенного класса
Приборы высокого класса

35. Технический уровень УЗ приборов

Тип прибора
Простые
Среднего
класса
Повышенного
класса
Высокого
класса
Число каналов Число
элементов
16
80
32 или 48
96 или 112
64
128
128-512
и выше
128-512
и выше

36.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

37. Ультразвуковой датчик

Основы ультразвуковой диагностики
Ультразвуковой датчик
• Устройство, в котором
происходит генерация
УЗ колебаний и детекция
отраженного эхосигнала
называется
ультразвуковым
датчиком

38.

Основы ультразвуковой диагностики
Механические датчики
Один или несколько излучающих
пьезокристаллов. Развертка луча
достигается за счет качания
элемента или зеркала.
Электронные датчики
60 и больше пьезокристаллов.
Управление программное с
помощью электронных средств.

39.

Линейный датчик
Применяется для исследования:
• поверхностных органов
• мягких тканей
• сосудов шеи, верхних и
нижних конечностей
Размер рабочей поверхности
(апертура) - 25-100 мм
Количество элементов – 128-288
Диапазон частот 3-20 МГц

40.

Конвексный датчик
Применяется для исследования:
• органов брюшной полости и
забрюшинного пространства
• органов малого таза
Радиус кривизны - 40-60°
микроконвекс - 8-25 °
Сектор сканирования – 50-200°
Количество элементов – 128-288
Диапазон частот: 1-10 МГц

41.

Секторный датчик
Применяется:
• для транскраниального
сканирования сосудов
головного мозга
• трансторакальной ЭХО-КГ
Сектор сканирования – 90°
Количество элементов – 60-96
Диапазон частот: 1-12 МГц

42.

Основы ультразвуковой диагностики
Способы фокусировки ультразвукового луча

43.

В современных приборах с многоэлементными
электронными датчиками основой фокусировки
является электронная фокусировка. Имея систему
электронной фокусировки, мы можем с панели прибора
изменять фокусное расстояние, однако, для каждого
изображения мы будем иметь только одну зону фокуса.
Способ динамической фокусировки

44.

ВИДЫ
ЭХОГЕННОСТИ
ТКАНЕЙ

45.

- Все органы человека отражают
ультразвук по-своему.
- Цвет зависит от плотности органа: чем он
плотнее, тем белее картинка. Так,
например, жидкость изображается в
чёрном цвете.
- Способность тканей органов отражать
ультразвук – это и есть эхогенность.

46.

- изоэхогенность – нормальная (ткани и
органы на УЗИ отображаются в сером цвете)
- гипоэхогенность – сниженная (объекты
тёмного цвета, ближе к чёрному)
- гиперэхогенность – повышенная (пиксели
окрашены в белые или светло-серые оттенки)
- анэхогенность – эхонегативность, т.е.
отсутствие эхогенности (структуры чёрного
цвета)

47.

Образование в печени
(анэхогенное) – киста с
жидкостным содержимым
Печень с нормальной
эхогенностью (изоэхогенная)

48.

Гиперэхогенное образование
в молочной железе (липома)
Гипоэхогенное образование в
молочной железе
(фиброаденома)

49.

По структуре различают:
- гомогенность (однородный цвет ткани)
- гетерогенность (неоднородное
окрашивание).
Важный параметр УЗИ – контуры органов
и образований. В норме контуры должны
быть чёткими, ровными.

50.

Режимы
сканирования

51.

Режимы сканирования
В-режим (Brightness — яркость)
Основан на эффекте отражения УЗ от границы
раздела сред. Амплитуда отраженного сигнала
обусловливает яркость свечения пикселя на экране
монитора

52.

Режимы сканирования
В-режим

53.

Режимы сканирования
М-режим (Motion — движение)
Одномерное сканирование (через одну линию
сечения) с получением развертки в реальном
режиме времени

54.

Режимы сканирования
М-режим

55.

Режимы сканирования
Трехмерный режим
Достигается путем компьютерного преобразования
сигнала, полученного при помощи датчика с
вращающейся излучающей плоскостью
Различают: поверхностный метод

56.

57.

Режимы сканирования
Прозрачный метод
в максимальном (гиперэхогенные структуры) или
минимальном режиме (гипоэхогенные структуры)

58.

Режимы сканирования
Цветной метод
С использованием цветного допплеровского
сканирования (реконструкция изображений сосудов)

59.

Режимы сканирования
КРИСТИАН ДОППЛЕР (CHRISTIAN DOPPLER),
1803 - 1853
В 1842 Допплер теоретически
обосновал зависимость частоты
колебаний, воспринимаемых
наблюдателем, от скорости и
направления движения
источника волн и наблюдателя
относительно друг друга. Это
явление впоследствии было
названо его именем (эффект
Доплера).

60.

Режимы сканирования
Эффект Допплера
Движение относительно среды источника или
приемника звука или тела, рассеивающего звук
вызывает изменение частоты звуковых волн в
большую или меньшую сторону.

61.

Режимы сканирования
Эффект Допплера
Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель
движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель
движется от источника звука). В том случае, если направление падения
ультразвукового луча не параллельно направлению движения отражателя,
необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла a
между падающим лучом и направлением движения отражателя
a

62.

Режимы сканирования
Δf c
V
2f cosα
0
V – скорость движения элементов крови;
Δf – допплеровский сдвиг частот;
fo - первичная частота излучения;
с – скорость распространения звука в среде;
α – угол между вектором скорости отражателя
и вектором ультразвукового луча

63. Зависимость изображения от угла α

• Углы менее 250 и более 1550 называются
критическими. При этом получить
эхосигналы от крови в сосудах практически
невозможно

64.

Виды допплеровского режима
• 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 Mmode).
• Энергетический допплер (Power Doppler).
• Тканевой скоростной допплер (TissueVelosity
Imaging).
• Тканевой импульсный допплер (Pulsed Wave
TissueVelosity Imaging).

65.

Виды допплеровского режима
Импульсный допплеровский режим
Излучателем и приемником является один и
тот же пьезокристалл
Место исследования кровотока называется
контрольным объемом
Отражает характер кровотока в конкретной
данной точке, в месте установки контрольного
объема

66.

Виды допплеровского режима
Импульсный допплеровский режим
Предельная скорость
кровотока, которая может
быть измерена методом
импульсной допплерографии,
называется пределом
Найквиста и равна 2,5 м/с

67.

Виды допплеровского режима
Элайзинг-эффект
Искажение допплеровского спектра при измерении
скорости кровотока, превосходящей предел Найквиста

68.

Виды допплеровского режима
Постоянно-волновой допплеровский режим

69.

Виды допплеровского режима
Постоянно-волновой допплеровский режим

70.

Достоинства непрерывно-волнового
допплеровского режима
• Хорошая чувствительность
• Возможность получить количественные
характеристики кровотока
• Высокая точность оценки спектра частот и
скоростей
• Однозначность измерения скоростей
кровотока во всем диапазоне их возможных
значений

71.

Недостатки непрерывно-волнового
допплеровского режима
• Получение суммарной информации во всем
диапазоне глубин
• Зависимость суммарной информации от
угла α (при 900 и критических углах оценка
кровотока невозможна)

72.

Виды допплеровского режима
Цветное допплеровское картирование
Значение средней скорости кровотока кодируется
определенным цветом. Красный цвет показывает
направление движение крови к датчику, а синий –
движение крови от датчика. Светлые тона – высокие
скорости кровотока, насыщенные – низкие.

73. Режим ЦДК

• Достоинство: возможность в реальном
времени наблюдать двухмерную картину,
отображая информацию о средних
скоростях в каждом отдельном элементе
изображения
• Недостатки: зависимость от угла
сканирования, элайзинг-эффект,
получение только качественной, а не
количественной информации

74.

Виды допплеровского режима
Элайзинг-эффект в режиме ЦДК
Турбулентный кровоток картируется сине-зелено-желтым
цветом

75.

Виды допплеровского режима
Энергетическое допплеровское картирование
Кодируется не скорость, а величина площади под кривой
интенсивность – частота.

76.

Виды допплеровского режима
Направленный энергетический допплер
(конвергентный) Объединяет в себе возможности
ЦДК и ЭДК

77.

Виды допплеровского режима
Триплексное сканирование с цветовым
допплеровским картированием (ТС с ЦДК)
Это сочетание В-режима, режима ЦДК и
импульсно-волнового допплеровского режима
Двухмерная эхограмма в
сочетании с цветовым
допплеровским
картированием кровотока в
общей сонной артерии
Допплеровская
спектрограмма потока

78.

Виды допплеровского режима
Тканевой допплер
Основан на выделении допплеровского сигнала от миокарда

79.

Виды допплеровского режима
Тканевой допплер

80.

Виды допплеровского режима
Импульсноволновой режим
тканевого допплера

81.

Режимы сканирования
• Чреспищеводная
эхокардиография
• Стресс-эхокардиография
• Внутрисосудистый ультразвук
• Контрастная эхография с
применением таких контрастов
как «Соновью», «Эховист»
• Эластография

82.

Артефакты
Артефакт в ультразвуковой диагностике
— это появление на изображении
несуществующих структур, отсутствие
существующих структур, неправильное
расположение структур, неправильная
яркость структур, неправильные
очертания структур, неправильные
размеры структур.

83.

Артефакты
Артефакты, связанные с работой
оборудования
Артефактный шум
(Artefactial Noise).
Это артефактная наводка от
близкорасположенных
источников
электромагнитного
излучения (оборудование,
электротранспорт)

84. Артефакты в режиме серой шкалы

Вызывающие неправильное отображение
эхогенности структур позади объектов с
выраженной отражающей или звукопроводящей
способностью:
артефакт акустической тени
артефакт дистального псевдоусиления сигнала
артефакт ослабления (поглощения) эхосигнала

85.

Артефакты
Артефакты, связанные с взаимодействием эхо с тканью
Акустическая тень
Возникает за сильно отражающими или сильно
поглощающими ультразвук структурами (газ, кость,
кальцинаты и др.)

86. Артефакты, связанные с взаимодействием эхо с тканью Акустическая тень

Акустическая тень за конкрементом в желчном пузыре

87.

Артефакты
Дистальное псевдоусиление (Enhancement Effect)
Возникает в случае, когда эхо проходит через заполненную
жидкостью структуру и позади нее происходит увеличение
амплитуды эхо.

88.

Артефакты
Артефакты, связанные с взаимодействием эхо с тканью
Дистальное псевдоусиление (Enhancement Effect)
Киста печени (стрелкой указан артефакт
дистального псевдоусиления эхосигнала)

89.

Артефакты
Артефакт боковых теней
Связан с преломлением ультразвуковых волн при их
падении по касательной на выпуклую поверхность
структуры, скорость прохождения ультразвука в которой
существенно отличается от окружающих тканей

90.

Артефакты
Артефакт боковых теней
Вариант сочетания акустических эффектов и артефактов при
ультразвуковом исследовании: эффект акустического усиления (1) и
боковых теней (указаны стрелками) за подкапсульным жидкостным
образованием печени

91.

Артефакт ослабления (поглощения) эхосигнала
При жировом гепатозе

92.

Артефакты, обусловленные реверберацией
УЗ луча:
• реверберация
• «хвост кометы»
• артефакт «псевдомасс»
• зеркальный артефакт

93.

Артефакты
Реверберация (Reverberation Artefact)
Наблюдается, если ультразвуковой импульс попадает между
двумя или более отражающими поверхностями

94.

Артефакты
Реверберация (Reverberation Artefact)
В результате многократного переотражения ультразвука возникает
эффект ложного заполнения просвета ОСА структурами повышенной
эхогенности

95.

Артефакты
Реверберация (Reverberation Artefact)
Фальшивое эхо: многократное отражение ультразвуковых лучей от
стенок мочевого пузыря.

96.

Артефакты
Эффект кометы (Comet Effect)
Выявляется в том случае, когда ультразвук вызывает собственные
колебания объекта
"Хвост кометы" от газового пузырька, находящегося в
мочевом пузыре.

97.

Артефакты
Зеркальный артефакт (Mirror Artefact)
Это появление объекта, находящегося по одну сторону
сильного отражателя, с его другой стороны

98.

Артефакты
Зеркальный артефакт (Mirror Artefact)

99.

Артефакты
Зеркальный артефакт (Mirror Artefact)
Зеркальный артефакт, возникающий в результате полного отражения
ультразвуковых колебаний на границе органов с различными
акустическими свойствами (печень, легкое) и повторным отражением от
сканирующей поверхности датчика с возникновением изображения
несуществующего объекта (1) позади настоящего (2).

100.

3. Артефакты, обусловленные особенностями УЗ
луча, которые не учитывает аппарат:
• артефакт рефракции
• артефакт толщины УЗ луча
• артефакт боковой доли
• артефакт неправильного определения скорости
распространения луча
• артефакт эффективной отражательной
поверхности
• артефакт варьирования интенсивности УЗ луча
• артефакт увеличения

101. Артефакт рефракции (преломления)

• Обусловлено изменением направлением УЗ луча при
переходе через ткани с разным акустическим импедансом
(артефакт удвоения верхнего полюса почки, имитирующего
наличие супраренальных почечных масс)

102. Артефакт толщины УЗ луча

• Создается ложное впечатление о наличии неоднородности
и пристеночных образований в жидкостных структурах
(«сладж», «тромб», «образование»)
Имитация тромба ВЯВ

103. Артефакты в допплеровских режимах

1. Связанные с некорректными параметрами
сканирования
• алайзинг
• неправильное определение локации потока
2. Не связанные с потоком крови
• артефакт «вспышки»
• псевдопоток
• «мерцающий артефакт»

104. Элайзинг-эффект

При стенозе общей сонной артерии

105. Артефакт мерцания (при сканировании объектов с высокой отражающей способностью)

106.

Биологическое действие
ультразвука
I.
II.
a)
b)
Механическое
Тепловое:
нагревание,
кавитация (образование в жидкости
пульсирующих пузырьков,
заполненных газом, паром или их
смесью)

107. Биологическое действие ультразвука

• По данным ВОЗ ультразвук не вызывает
повреждения хромосом и не причиняет
ущерба здоровью человека
Интенсивность
более 10 Вт/см2
Необратимые
изменения в тканях
Диагностический ультразвук –
менее 0,05 Вт/см2

108.

«Никогда не сообщалось о подтвержденных
биологических эффектах у пациентов или лиц,
работающих на приборе, вызванных облучением
(ультразвуком), интенсивность которого типична
для современных ультразвуковых
диагностических установок. Хотя существует
возможность, что такие биологические эффекты
могут быть выявлены в будущем, современные
данные указывают, что польза для больного при
благоразумном использовании диагностического
ультразвука перевешивает потенциальный риск,
если таковой вообще существует…»
Американский институт ультразвука

109.

Понимание принципа работы ультразвуковой
диагностической установки, знание основ физики
ультразвука и его взаимодействия с тканями человека
помогут избежать механического, бездумного
использования прибора и следовательно грамотно
подходить к процессу диагностики

110.

СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ