Физические основы ультразвуковых волн

1.

Физические основы
ультразвуковых волн

2.

Ультразвуком называются звуковые колебания, лежащие выше
порога восприятия органом слуха человека (частота более 20кГц).
Физической основой УЗИ является открытый в 1881 г. братьями
Кюри пьезоэлектрический эффект.

3.

Ультразвуковое оборудование можно рассматривать в двух частях: датчик, который посылает
ультразвуковые волны и получает возвращающиеся эхо сигналы; и компьютер, который анализирует
данные, предписывает последовательность излучения/поступления ультразвуковых волн, допускает
изменение и отображение информации в виде изображения. УЗ волны образуются кристаллами с
пьезоэлектрическими свойствами.

4.

Также, как и световые волны следуют оптическим законам, ультразвуковые волны, проходящие
через биологические ткани, следуют аналогичным законам:
Отражение
Преломление
Поглощение

5.

По физическим причинам УЗ луч имеет не линейную форму, а песочных часов с фактической
толщиной в 3-х измерениях. Поэтому каждая линия информации на экране поступает от ткани
в объеме формы песочных часов. Наилучшее разрешение пространства достигается в месте,
где луч самый узкий: эта часть УЗ луча называется фокусная зона. Она влияет на четкость
границ объекта(S), а также его эхогенность (Е).

6.

Типы датчиков

7.

Панель управления и настройки
Глубина: это первый элемент для настройки. Чтобы оценить орган, важно поместить орган в центр
изображения и заполнить им большую часть экрана.
Фокусные точки: в большинстве новых аппаратов может быть настроено положение и количество
фокусных зон. Фокусная точка представлена на экране, как голова стрелки или точка на боковой стороне
экрана.
Общее усиление: эта регулировка увеличивает отдачу эхо сигналов. Увеличение усиления делает
изображение экрана белее на всей глубине. Это увеличивает сигнал как полезной информации, так и шум
артефакта.
TTG (компенсация усиления по глубине; регулировка усиления по глубине, влево – ослабление
сигнала, вправо – усиление сигнала; в ближнем поле требуется незначительная регулировка, в дальнем поле –
значительная): используется для компенсации переменного ослабления возвращающихся эхо сигналов.
Частота: настройка частоты передачи улучшает проникновение и разрешение, когда необходимо
улучшить качество изображения.
Размер области: дает возможность менять угол конусообразного изображения. Увеличение размера
сектора повышает частоту кадров и улучшает разрешение. Это очень важно в ЭХОкг.
Яркость и контрастность экрана: могут быть настроены с персональными предпочтениями, но редко
настраиваются после установки оборудования.
Мощность: количество УЗ волн, испускаемых от датчика. Увеличение мощности увеличивает
амплитуду передаваемых импульсов. Области слабого сигнала (такие как глубокие структуры) могут лучше
оцениваться после повышение мощности.

8.

Эффекты общего усиления (а) (i) Недостаточное общее усиление. (ii) Избыточное общее усиление.
(b) Эффекты компенсации усиления по глубине (TGC). (i) Недостаточное проксимальное TGC. (ii)
Правильное TGC и общее усиление.

9.

Эхогенность и принципы интерпретации
Эхогенность или серый уровень ткани определяется как яркость и концентрация точек на
экране. Каждая точка на экране представляет собой ответный эхо сигнал.
- Большинство жидкостей анэхогенные, на экране выглядят черными. Плохо
ослабляют и поглощают или вообще не поглощают УЗ лучи. Могут вызывать артефакт
дистального усиления.
- Паренхиматозные ткани имеют переменную эхогенность. Они отражают часть УЗ
луча.
- Минерализованные структуры и воздух являются источником артефакта затенения и
реверберации, т.к. вызывают полную абсорбцию (кость) и полное отражение (воздух) УЗ луча.
Это причина, по которой ультразвук не позволяет оценивать структуры, содержащие или
охватываемые газом (например, здоровые легкие) или здоровая кость за ее поверхностью.

10.

Патологические изменения в паренхиматозных органах
• Изменение эхогенности (гиперэхогенное, гипоэхогенное, изоэхогенное, анэхогенное)
• Изменение эхоструктуры (зернистость – мелкая/грубая, гомогенная/гетерогенная или с
искажением нормальной архитектуры ткани)
• Количество поражений (одиночное, множественное)
• Локализация, размер в трех измерениях, границы

11.

Шкала эхогенности (по убывающей)
• Минерал
• Газ
• Структурный жир
• Почечный синус
• Предстательная железа
• Селезенка
• Лимфатические узлы
• Печень, поджелудочная железа
• Кортикальный слой почек
• Мышцы
• Надпоченики
• Медуллярный слой почек
• Жидкости (мочевой пузырь, желчный пузырь, содержимое сосудов)

12.

Качество изображения
Разрешение – способность различать две точки как отдельные, либо вдоль продольной
(аксиальной) оси, либо вдоль боковой оси УЗ луча. Аксиальное разрешение всегда больше,
чем боковое разрешение; по этой причине измерения небольших структур должны
проводиться вдоль продольной оси УЗ луча.
Аксиальное разрешение зависит от длины импульса и длины волны УЗ луча и
улучшается с увеличением частоты. Длина импульса - это количество УЗ волн в каждом
импульсе, умноженное на длину каждой волны. Чем короче длина волны (и, таким образом,
выше частота ультразвука), тем короче длина импульса и выше способность к разрешению
двух структур близко друг к другу в виде отдельных эхо сигналов.
Латеральное разрешение зависит от ширины УЗ луча (толщина среза изображенных
структур) и частоты. Так как УЗ луч не имеет равномерной толщины по мере изменения
глубины, боковое разрешение также изменяется в зависимости от глубины. Боковое
разрешение лучше всего в фокусной зоне, где УЗ луч самый узкий.
Пенетрация (глубина проникновения) - часто игнорируется из-за компромисса между
пенетрацией и разрешением. Достаточная пенетрация важна для полной оценки глубоких
структур. Проникновение может повышаться при использовании низкочастотного датчика или
широкополосного датчика с низкочастотным компонентом.

13.

Конвексный датчик с использованием различной частоты у одного и того же пациента с
одинаковым количеством и расположением фокальных зон (треугольники).

14.

Артефакты
Артефакты – это изображение чего-то, что анатомически не существует. На ультразвуке
артефакты могут мешать оценке и вызывать затруднение, но также могут давать полезную
информацию о природе исследуемой структуры.
Частые артефакты включают:
Затенение
Преломление
Реверберация (кольцо вниз)
Дистальное усиление
Зеркальное отражение
Толщина среза
Боковой лепесток

15.

Затенение
• Затенение происходит вследствие значительного
поглощения УЗ луча минералом, газом и не
биологическим материалом.
Затенение выглядит как линейная или
конусообразная гипо- или анэхогенная область
дистальнее сильно аттенуирующей структуры. Длинная
ось конуса выровнена с длинной осью УЗ луча.
Затенение краев происходит глубоко по границам
округлой, заполненной жидкостью структуры. Это не
истинное акустическое затенение, и возникает вследствие
преломления.
Затенение затрудняет оценку структур дистальнее
источника затенения, но оно притягивает внимание к
малейшим минерализованным частицам или ко всем
плохо определяемым небиологическим структурам, таким
как инородные тела ЖКТ.
Чистого и грязного затенения нельзя избежать, но
врач УЗИ может оценить глубоко лежащие структуры,
используя альтернативный доступ.

16.

Преломление
Преломление происходит по краям округлых
структур, таких как желчный пузырь. Иногда этот феномен
называют «краевая акустическая тень». Преломленный
УЗ луч отклоняется к тканям с меньшей скоростью
распространения звука. Так как УЗ луч изогнут, нет
сигнала, возвращающегося к датчику от ткани, лежащей
глубже закругленного края, и отсутствие информации
транслируется на экране как черная, лишенная сигналов
область. Округлая форма структуры играет важную роль в
создании этого артефакта.
Преломление выглядит на экране, как узкая
анэхогенная линия или конус дистальнее краев округлой
структуры.
Для подтверждения преломления и,
следовательно, исключения наличия минерализации
датчик можно перемещать, чтобы оценить округлую
структуру с другого угла; затенение края или будет
двигаться или исчезнет.

17.

Реверберация
Реверберация является результатом
многократных отражений УЗ луча, отскакивающих
назад и вперед между двумя поверхностями, или
вибрируя в пределах сильно отражающей
поверхности, обычно газ. Некоторые эхо сигналы
возвращаются к датчику после одного, двух, трех или
более раз отражений.
• Небольшие пузырьки производят артефакты хвоста
кометы, в то время как более линейная граница газа
производит повторяющиеся гиперэхогенные линии
(кольца вниз). Кольца возникают также от любых
сильно линейных поверхностей близко границей
датчика. Кольца вызывают значительное нарушение
проявления структуры сразу глубже стенки тела.

18.

Дистальное усиление
Дистальное усиление является результатом
прохождения УЗ луча через плохо ослабляющую
структуру. Большая часть эхо сигналов достигает ткани
за пределами плохо ослабляющей (аттенуирующей)
структуры, чем латерально прилегающие области, и
генерируют больше возвращающихся эхо сигналов.
Это выглядит как гиперэхогенная область
дистальнее мало ослабляющей структуры. Длинная ось
гиперэхогенной области выровнена с осью УЗ луча
Дистальное усиление часто наблюдается при
нормальных структурах (например, желчный пузырь,
мочевой пузырь), патологических жидкостных
поражениях (например, кисты, абсцессы) и слабо
аттенуирующих массах (например, злокачественные
лимфатические узлы).
Этого нельзя избежать, но дистальные
структуры можно более объективно оценить, путем
поворота усиления вниз в область дистальнее
скопления жидкости.

19.

Зеркальное отражение
Зеркальное отражение возникает при высоко
отражающей поверхности (например, легкие за
диафрагмой). УЗ луч может отражаться между объектом
и границей перед тем, как он отразиться обратно к
датчику (поэтому потребуется больше времени).
Компьютер интерпретирует задержку возвращающихся
эхо сигналов, отображая идентичное изображение
объекта, симметрично расположенного на другой
стороне высоко отражающей границы.
Зеркальное отражение может артефактно
позиционировать печень за диафрагмой, имитируя
диафрагмальную грыжу или консолидацию
(уплотнение) доли легкого.
Перемещение датчика может существенно
изменить или устранить артефакт, допуская
подтверждение истинного положения ткани.

20.

Толщина среза
Толщина среза возникает вследствие фактической толщины УЗ луча. Это приводит к
отображению эхо сигналов на экране, исходящий от соседних структур в этом же «срезе».
Это может производить эхо сигналы в мочевом пузыре, имитируя интралюминальные
(внутрипросветные) эхо сигналы, которые на самом деле возникают либо от стенки мочевого
пузыря, либо от прилегающих тканей.
Смещение датчика или изменение угла УЗ луча (например вращение датчика на 90
градусов) изменит или исключит артефакт и покажет истинную природу и локализацию
соседних тканей.

21.

Лепесток диаграммы направленности
Боковые лепестки – это артефактное
представление структуры, расположенной с одной
стороны основного УЗ луча. УЗ луч на самом деле
состоит из главного луча и менее крупных, менее
пенетрирующих добавочных лучей с обеих сторон,
называемых боковыми лучами или боковыми
лепестками. Когда высоко отражающая структура
находится на пути бокового луча, возвращающие эхо
сигналы достаточно сильные, чтобы достигнуть датчика.
Поэтому отображение этой структуры «на стороне»
артефактно расположено в плоскости главного УЗ луча.
Это ложно позиционирует эхо сигналы в
мочевом пузыре, имитируя внутрипросветные эхо
сигналы, которые на самом деле являются
возвращающимися эхо сигналами от близлежащей
толстой кишки.
Смещение датчика или изменение угла УЗ луча
(например вращение датчика на 90 градусов) изменит
или исключит артефакт и покажет истинную природу и
локализацию соседних тканей.