Главная » Статьи » Узи как работает

Узи как работает


Что такое УЗИ аппарат?

УЗИ аппарат с помощью высокочастотных звуковых волн позволяет врачам проводить визуальную диагностику человеческого организма. Частота волн 2 — 10 МГц. Пациент способен воспринимать частоту, не превышающую 20 кГц.

Составные элементы

Современные УЗИ сканеры выполнены из нескольких элементов:

  • CPU, процессор — в нем расположены источники питания, и он выполняет все расчеты;
  • датчик ультразвуковой — получает и передает звуковые волны, преобразуя их;
  • дисплей — необходим для демонстрации картинки, получаемой в процессе обследования;
  • датчик управления — меняет характеристики импульсов, которые поступают на ультразвуковой преобразователь;
  • жесткий диск — место хранения полученных при обследовании изображений;
  • курсор и клавиатура — применяются для ввода данных;
  • принтер — предназначен для распечатки изображений.

Центральный элемент УЗИ оборудования — ультразвуковой преобразователь, который функционирует по принципу пьезоэлектрического эффекта. В преобразователе несколько пьезоэлектрических кристаллов из кварца. Под воздействием электричества кварцевые кристаллы вибрируют, меняют форму и способствуют образованию и распространению ультразвукового сигнала. В обратном порядке они могут вырабатывать ток под воздействием звуковых волн.

Датчик дополнительно оснащен слоем для поглощения звука. Форма и размер преобразователя могут быть любые. От 1-го параметра зависит поле зрения аппарата, а получаемая картинка и глубина, на которую проникает импульс, зависят от его частоты.

Вернуться к оглавлению

Квалифицированный врач должен знать, как работает УЗИ. Оборудование передает импульсы с частотой 1 — 18 МГц с помощью преобразователя ультразвука в тело обследуемого пациента. Источаемые аппаратом сигналы распространяются по телу к границе между разными тканями. Волны частично отражаются обратно, а остальные продолжают движение в теле.

Отраженные сигналы поступают на датчик, а затем в центральный процессор, который обрабатывает их и выдает картинку на дисплей. Расстояние между органами или тканями и преобразователем определяется с помощью скорости распространения звука и времени, которое потребовалось отраженным волнам, чтобы вернуться в датчик.

Врач, управляя преобразователем, при необходимости меняет частоту передаваемого сигнала, его длительность и режим сканирования. Современный прибор функционирует в нескольких режимах. Основные — A, B, D, M, CFI, CWD, PW, TD.

A, amplitude: на экран осциллографа поступает амплитуда эхо — сигнала. Есть во всех аппаратах для УЗИ, используется в офтальмологии.

B, brightness, 2D: простой и информативный. Амплитуда эхо — сигнала отображается на дисплее двухмерным полутоновым изображением. Оборудование использует 256 оттенков серого цвета, чтобы отобразить малейшие изменения в эхогенности. Скорость обновления кадров — 20 / мин. Используется для обследования сердечных камер, клапанов и желудочков.

D, УЗИ с доплером: работает, основываясь на эффекте Доплера. Частота меняется от движения источника звука по отношению к датчику.

M, motion: передает на дисплей картинку структур сердца в движении. Позволяет точно оценивать быстрое движение за счет высокой частоты дискретизации.

Вернуться к оглавлению

CFI, colour flow doppler imaging, цветной доплер: позволяет определить скорость и направление кровотока благодаря локализации кровеносных сосудов внутри сердечных камер. Кровоток, движущийся по направлению к преобразователю, отображается на мониторе красным цветом, а движущийся в обратную сторону — синим. Черным цветом окрашены протоки, перпендикулярные плоскости исследования. Зеленый и белый цвета — для обозначения турбулентного кровотока. Современный прибор позволяет настроить цвета по своему усмотрению.

CWD, Continuous Wave Doppler, постоянно-волновой доплер: датчик одновременно передает и принимает сигнал и точно определяет высокоскоростные потоки. Минус — не может точно локализовать сигнал.

PW, Pulsed Wave Doppler, импульсно-волновой доплер: визуализирует турбулентный и ламинарный кровотоки. Направление и скорость определяет с большей точностью, чем цветной доплер. Помогает оценить характер кровотока на определенном участке. Недостаток — неточность в определении высокоскоростных потоков.

TD, Tissue Doppler, тканевый доплер: измеряет скорость движения тканей и сократительную способность миокарда.

Современный аппарат УЗИ оснащен режимами, которые повышают качество передаваемого изображения: THI, PD, 3D и 4D.

THI, Tissue Harmonic Imaging: способствует улучшению качества картинки. Применяется чаще всего при обследовании пациентов с лишним весом.

PD, Power Doppler, энергетический доплер: высокочувствительный режим, который используется при обследовании мелких сосудов. Недостаток — не определяет направление кровотока.

3D: позволяет получить трехмерную картинку.

4D, real-time 3D ultrasound: формирует изображение из 3D-картинок, сформированных на основе 2D-картинок. Врач наблюдает за изменением трехмерного изображения во времени.

Вернуться к оглавлению

Обследование при помощи ультразвука успешно применяется в медицине. Врач должен знать принцип работы устройства для проведения качественного и точного обследования пациента. Сканеры отличаются в зависимости от назначения и сферы использования. Небольшой каталог с описанием особенностей работы помогает определиться с выбором:

  • портативные УЗИ — позволяют выполнять обследование в любом месте. Удобный переносной вариант для выездов на дом к пациентам для проведения диагностики;
  • стационарные УЗИ — используются в специализированных кабинетах медицинских учреждений;
  • оборудованные доплером — позволяют медикам видеть картинку и оценивать характер кровотока;
  • универсальные — передают на монитор двухмерную черно-белую картинку;
  • ветеринарные — оснащены специальными датчиками для проведения обследований всех видов животных;
  • специализированные — сфера применения зависит от вида преобразователя, которым оснащен аппарат. На рынке представлены аппараты для абдоминальной, акушерско-гинекологической, эндоскопической, офтальмологической и другой диагностики.

Оборудование для УЗИ классифицируют по тактовой рабочей частоте датчика. От этого зависит сфера использования прибора. Универсальные и кардио исследования требуют частоты 3, 5 МГц; осмотр органов, которые глубоко расположены — 2, 5 МГц; органов, расположенных близко к поверхности — 7, 5 МГц; диагностика детского организма или исследование внутриполостных органов — 5,0 -7, 5 МГц;

Прежде чем выбрать оборудование, необходимо определиться с типом датчика:

  1. Конвексные.
  2. Сверхвысокоплотные линейные.
  3. Фазированные и секторные механические.

По сфере использования различают следующее ультразвуковое оборудование:

  • кардио;
  • универсальные;
  • биопсийные;
  • педиатрические;
  • офтальмологические;
  • внутриполостные и другие.

При выборе прибора учитывается качество передаваемого изображения, сфера применения, особенности преобразователя, ПО, конструкции и размер монитора.

Оцените статью:

1 голосов, в среднем: 5,00 из 5 Загрузка...

Как работает аппарат УЗИ? - Медицинский центр

Ультразвуковое исследование (УЗИ) - это не инвазивная диагностическая процедура, которая использует высокочастотные звуковые волны для получения изображения внутренних органов тела. Эта статья предоставляет информацию о том, как работает аппарат УЗИ.

Термин 'УЗИ' относится к частоте, которая находится выше диапазона человеческого слуха. Ультразвуковое исследование, которое также известно, как диагностическая медицинская сонография, не инвазивная процедура визуализации, которая подразумевает использование высокочастотных звуковых волн для диагностики, а также лечебных целях. Она считается безопасней, чем рентген и КТ, так как не предполагает использование ионизирующего излучения.

Машина Ультразвука

Аппарат УЗИ - это компьютерно-интегрированные средства диагностики, которые состоят из преобразователя, процессора, монитора, клавиатуры с кнопками управления, устройства хранения и принтера. Его компоненты работают в совокупности для получения изображений внутренних органов.

Ультразвуковая визуализация и обратный пьезоэффект

Пьезоэлектрические кристаллы - это кристаллы, которые генерируют заряд, когда они подвергаются механическим нагрузкам. Преобразование механической энергии в электрическую энергию, называется пьезоэлектрическим эффектом. Кварц, титанат бария, ниобата свинца, цирконат-титанат свинца и др. некоторые из пьезоэлектрических материалов. В случае ультразвука, импульсные ультразвуковые волны создаются с помощью пьезоэлектрических кристаллов, которые помещаются в ручной зонд, называемый датчиком. Когда электрический ток подается на пьезоэлектрический кристалл, он вызывает механическое напряжение. Это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Этот обратный пьезоэлектрический эффект, производит ультразвуковые волны.

Когда электрический ток применяется на этих кристаллах, это приводит к быстрому изменению их формы. Это заставляет кристаллы производить звуковые волны, которые распространяются наружу. Когда эти звуковые волны возвращаются назад и ударяют кристаллы, они испускают электрический ток.

Частота, используемая для ультразвука, находится в пределах 2 - 15 МГц. Существует обратная зависимость между длиной волны и частотой ультразвуковых волн. Высокочастотные ультразвуковые волны имеют короткую длину волны, а низкочастотные ультразвуковые волны обладают большой длиной волн. Высокие частоты используются для сканирования органов или тканей, которые расположены близко к поверхности. Высокочастотные волны дают изображения высокого разрешения. Хотя низко-частные волны могут проникать в более глубокие структуры, но они обеспечивают изображение с низким разрешением.

Компоненты ультразвукового аппарата

Сегодня ультразвуковые аппараты вполне доступны и широко используется для диагностических целей. Давайте выясним, как ультразвуковые волны создаются и транслируются через эти машины.

Центральный процессор (ЦП)

 

Процессор содержит блок питания для преобразователя, а также микропроцессор, который ссылается на набор проводов, соединяющих процессор с остальными компонентами компьютера. Его задача состоит в получении данных и обеспечения выхода путем обработки данных в соответствии с маршрутом. В УЗИ, процессор посылает электрический ток к датчику, и обрабатывает информацию, передаваемую процессором в 2D или 3D-изображение. Эти изображения можно увидеть на мониторе.

Датчик

Преобразователь является составной частью УЗИ. Термин 'преобразователь' - это устройство, которое преобразует энергию из одной формы в другую. Это устройство действует как передатчик, а также приемник. Во время УЗИ, применяется гель в конкретной части тела, чтобы предотвратить звуковые волны от искажения. Зонд перемещается назад и вперед по этой части тела. Применение электрического тока в кристаллах в преобразователе приводит к генерации ультразвуковых волн. Отражение ультразвуковой волны происходит на границе разных типов ткани. Преобразователь преобразует отголоски механической энергии или ультразвуковые волны, которые отражаются от целевого органа или ткани, в электрический ток. Затем процессор обрабатывает информацию о поле и амплитуде звука, и времени, затраченным ультразвуковыми волнами, отражаемыми на датчик для создания 2D или 3D изображений внутренних органов.

Другие компоненты

➞ Техник сонограммы можете использовать клавиатуру для добавления заметок и замеры изображения. Датчик контроля импульсов может быть использован для изменения длительности и частоты импульсов ультразвука, или изменить режим сканирования.

 

➞ Обработанные данные от процессора преобразуется в изображение, которое можно увидеть на мониторе.

 

➞ Обрабатываемые данные и/или изображения могут быть сохранены на жесткий диск вместе с медицинской документацией пациента.

➞ Техник ультразвука также можете выбрать изображение, которое можно напечатать с помощью термального принтера, подключенного к УЗИ.

Ультразвук имеет различное применение в диагностике, но он стал незаменим для анализа развития плода. В то время как обычное УЗИ обеспечивает двумерное изображение для трехмерной анатомии человека, теперь можно создавать 3D и 4D изображения. В то время как 3D сканирование фотографий зародыша проводится в трех измерениях, движущиеся трехмерные изображения эмбриона называют 4Д сканированием. Хотя побочные эффекты не были связаны с использованием ультразвука, высказывались опасения на счет возможной связи между злоупотреблением ультразвука и тепловым воздействием ультразвуковых волн. Например, если зонд остается на одном месте в течение длительного периода, это может привести к повышению температуры в этом месте. Чтобы снизить эти риски, крайне важно, чтобы УЗИ-аппарат использовался опытным специалистом.

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.

Принцип работы УЗИ

Если речь идет о техническом обслуживании, ремонте или работе на ультразвуковом оборудовании, в первую очередь необходимо понимать физические основы процессов, с которыми придется иметь дело. Конечно, как и в каждом деле, здесь есть очень много нюансов и тонкостей, но мы предлагаем Вам в первую очередь рассмотреть самую суть процесса. В данной статье мы коснемся следующих вопросов:

  1. Что такое ультразвук, каковы его характеристики и параметры
  2. Формирование ультразвука в современной технике на основе пьезокерамики
  3. Принципы работы УЗИ: цепь преобразований электрической энергии в энергию ультразвука и обратно.
  4. Основы формирования изображения на дисплее УЗИ-аппарата.

Обязательно посмотрите наше видео о том, как работает УЗИ

Наша основная задача - разобраться в том, что такое ультразвук, и какие его свойства помогают нам в современных медицинских исследованиях.

О звуке.

Мы знаем, что частоты от 16 Гц до 18 000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека, принято называть звуковыми.  Но в мире также много звуков, которые мы услышать не можем, поскольку они ниже или выше диапазона доступных нам частот: это инфра- и ультра звук соответственно.

 

Звук имеет волновую природу, то есть все существующие в нашей вселенной звуки - волны, как, в прочем, и многие другие природные явления.

С физической точки зрения волна - это возбуждение среды, которое распространяется с переносом энергии, но без переноса массы. Другими словами, волны - это пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например - плотности вещества или его температуры.

Охарактеризовать параметры волны (в том числе и звуковой) можно через ее длину, частоту, амплитуду и период колебания.

Рассмотрим параметры волны более подробно:

Максимумы и минимумы физической величины можно условно представить в виде гребней и впадин волны.

 

Длиной волны называют расстояние между этими гребнями или между впадинами. Поэтому, чем ближе находятся друг к другу гребни - тем меньше длина волны и тем выше ее частота, чем гребни дальше друг от друга - тем длина волны выше и наоборот - тем ниже ее частота.

Еще один важный параметр - амплитуда колебания, или степень отклонения физической величины от ее среднего значения.

Все эти параметры связаны друг с другом (для каждой взаимосвязи есть точное математическое описание в виде формул, но приводить их здесь мы не будем, поскольку наша задача - понять основной принцип, а описать его с физической точки зрения можно всегда). Важна каждая из характеристик, но чаще всего Вам придется слышать именно о частоте ультразвука.

Ваш УЗИ аппарат предоставляет плохое качество визуализации? Оставьте заявку на вызов инженера прямо на сайте и он проведет бесплатную диагностику и настроит Ваш УЗИ сканер

Звук высокой частоты: Как вызвать несколько тысяч колебаний в секунду

Существует несколько способов получить ультразвук, но чаще всего в технике используются кристаллы пьезоэлектрических элементов и основанный на их применении пьезоэлектрический эффект: природа пьезоэлектриков позволяет генерировать звук высокой частоты под воздействием электрического напряжения, чем выше частота напряжения, тем быстрее (чаще) начинает вибрировать кристалл, возбуждая высокочастотные колебания в окружающей среде.

 

Оказавшись в поле высокочастотных звуковых колебаний, пьезокристалл напротив начинает генерировать электроэнергию. Включив такой кристалл в электрическую цепь и определенным образом обрабатываю получаемые с него сигналы мы можем формировать изображение на дисплее УЗИ-аппарата.

Но чтобы этот процесс стал возможным, необходимо дорогое и сложно организованное оборудование.

Несмотря на десятки и даже сотни взаимосвязанных компонентов УЗИ сканер можно условно разделить на несколько основных блоков, участвующих в преобразовании и передаче различных видов энергии.

Все начинается с источника питания, способного поддерживать высокое напряжение заранее заданных значений. Затем, через множество вспомогательных блоков и под постоянным контролем специального программного обеспечения сигнал передается на датчик, основным элементов которого является пьезокристаллическая головка. Она преобразует электрическую энергию в энергию ультразвуковых колебаний.

Через акустическую линзу, сделанную из особых материалов и согласующий гель ультразвуковая волна попадает в тело пациента.

Как и любая волна, ультразвук имеет свойство отражаться от встречающейся на его пути поверхности.

Далее волна проходит обратных путь через различные ткани человеческого тела, акустический гель и линзу она попадает на пьезокристаллическую решетку датчика, которая преобразует энергию акустической волны в электрическую энергию.

Принимая и правильным образом интерпретируя сигналы с датчика мы можем моделировать объекты, находящиеся на различной глубине и недоступные человеческому глазу.

Принцип построения изображения на основе данных ультразвукового сканирования

Рассмотрим как именно полученная информация помогает нам в построении изображения на УЗИ сканере. В основе этого принципа лежит различный акустический импеданс или сопротивление газообразных, жидких и твердых сред.  

Другими словами, кости, мягкие ткани и жидкости нашего тела пропускают и отражают ультразвук в различной степени, частично поглощая и рассеивая его.

На самом деле весь процесс исследования можно разбить на микропериоды, и лишь малую часть каждого периода датчик испускает звук. Остальное время уходит на ожидание ответа. При этом время межу передачей и получением сигнала напрямую переводится в расстояние от датчика до “увиденного” объекта.   

Информация о расстоянии до каждой точки  помогает нам построить модель изучаемого объекта, а также используется для измерений, необходимых при ультразвуковой диагностике. Данные кодируются цветом  - в результате мы получаем на экране УЗИ необходимое нам изображение.

Чаще всего это Черно-белый формат, поскольку считается, что к оттенкам серого наш глаз более восприимчив и с большей точностью. увидит разницу в показаниях, хотя в современных аппаратах используется и цветное представление, например, для исследования скорости кровотока, и даже звуковое представление данных. Последнее вместе с видеорядом в допплеровских режимах помогает поставить диагноз более точно и служит дополнительным источником информации.

 

Но Вернемся обратно к построению простейшего изображения и рассмотрим подробнее три случая:

Примеры простейших изображений будем изучать на основе B-режима. Визуализация костной ткани и других  твердых  образований представляет из себя светлые  участки (в основном - именно белого цвета), поскольку от твердых поверхностей звук отражается лучше всего и почти в полном объеме возвращается к датчику.

В качестве примера мы можем отчетливо видеть белые области - камни в почках пациента.

 

Визуализация жидкости или пустот напротив представлена черными участками на снимке, поскольку не встречая преград звук проходит дальше в тело пациента и мы не получаем никакого ответа

  

Мягкие ткани, как например, структура самой почки будут представлены областями с различной градацией серого цвета. Именно от качества визуализации таких объектов и будет во многом зависеть точность диагноза и здоровье пациента.

Итак сегодня мы с Вами узнали о том, что такое ультразвук и как он используется в УЗИ-сканерах для исследования органов человеческого тела.

Если на Вашем УЗИ аппарате плохое качество изображения, обращайтесь в наш сервисный центр. Инженеры ERSPlus с большим опытом и высокой квалификацией всегда готовы Вам помочь

Распечатать

Смотрите также