Ультразвуковой метод исследования

Ультразвуковые волны — это упругие колебания среды с частотой, превышающей частоту колебания слышимых человеком звуков,— свыше 20 кГц. В ультразвуковой диагностике используют продольные ультразвуковые волны, которые обладают высокой проникающей способностью и проходят через ткани организма, не пропускающие видимый свет. Они относятся к числу неионизирующих излучений и в применяемом в диагностике диапазоне не вызывают выраженных биологических эффектов.

Ультразвуковой метод — способ дистантного определения положения, формы, величины, структуры и движения органов и тканей, а также патологических очагов с помощью ультразвукового излучения.

Он позволяет зарегистрировать даже незначительные изменения плотности биологических сред. Благодаря перечисленным выше достоинствам ультразвуковой метод стал одним из наиболее популярных и доступных исследований в клинической медицине. В некоторых ее разделах, например акушерстве, педиатрии, он стал основным, а иногда единственным методом диагностической визуализации.

Аппарат для ультразвукового исследования представляет собой сложное и вместе с тем достаточно портативное устройство, выполняемое в стационарном или переносном варианте (рис. 19). 

Рис. 19.Ультразвуковой диагностический аппарат.

Датчик аппарата, называемый также трансдюсером, включает в себя ультразвуковой преобразователь, основной частью которого является пьезокерамический кристалл. Короткие электрические импульсы, поступающие из электронного блока прибора, возбуждают в нем ультразвуковые колебания — обратный пьезоэлектрический эффект. Применяемые для диагностики колебания характеризуются небольшой длиной волны, что

позволяет формировать из них узкий пучок, направленный на исследуемую часть тела. Отраженные волны («эхо») воспринимаются тем же пьезоэлементом и преобразуются в электрические сигналы — прямой пьезоэлектрический эффект. Последние поступают в высокочастотный усилитель, обрабатываются в электронном блоке прибора и выдаются

пользователю в виде одномерного (в форме кривой) или двухмерного (в форме картинки) изображения. Первое называют эхограммой, а второе — сонограммой (синонимы: ультрасонограмма, ультразвуковая сканограмма).

Таким образом, ультразвуковой преобразователь выполняет следующие функции: 1) преобразует электрические сигналы в ультразвуковые колебания: 2) принимает отраженные эхосигналы и преобразует их в электрические; 3) формирует пучок ультразвуковых колебаний необходимой формы; 4) обеспечивает (в ряде систем) перемещение пучка ультразвуковых волн в исследуемой области.

Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства. Их подразделяют на предназначенные для медленного и быстрого — в реальном времени — сканирования. Датчики для медленного сканирования, как правило, одноэлементные, для быстрого — механические или электронные (механическое или электронное сканирование). Механические датчики в большинстве случаев содержат два-три элемента, реже — один элемент. При этом изображение на экране получается в виде сектора (секторные датчики). Датчики для электронного сканирования всегда многоэлементные, выполнены в виде линеек различной длины и формы. В зависимости от формы получаемого изображения различают секторные, линейные и конвексные (выпуклые) датчики.

Частоту ультразвуковых волн подбирают в зависимости от цели исследования. Для глубоко расположенных структур применяют более низкие частоты, для поверхностных — более высокие. Например, для изучения сердца используют волны с частотой 2,2—5,0 МГц, для эхографии глаза — 10—15 МГц. На современных установках сонограммы подвергают компьютерному анализу по стандартным программам. Распечатка информации производится в виде картинки — изображения исследуемой области либо,

при одномерном исследовании, в виде кривых или ряда цифр.

Все ультразвуковые установки, кроме основанных на эффекте Доплера (см. ниже), работают в режиме импульсной эхолокации: излучается короткий импульс и воспринимается короткий сигнал. В зависимости от задач исследования применяют разные виды датчиков. Одни из них предназначены для сканирования с поверхности тела. Другие датчики соединены с эндоскопическим зондом, их используют при внутриполостном исследовании, в том числе в комбинации с эндоскопией. Эти датчики, а также созданные для ультразвуковой локации на операционном столе, можно стерилизовать. Биопсийные, или пункционные, датчики применяют для точного наведения биопсийных, или пункционных, игл.

По принципу действия все ультразвуковые датчики делят на две группы: эхоимпульсные и допплеровские. Приборы первой группы служат для определения анатомических структур, их визуализации и измерения. Допплеровские датчики позволяют получать кинематическую характеристику быстро протекающих процессов - кровотока в сосудах, сокращений сердца. Однако такое деление условно. Многие установки дают возможность одновременно изучать как анатомические, так и функциональные параметры.

Ослабление ультразвука в среде определяется так называемым импедансом — ультразвуковым сопротивлением. Величина его зависит от плотности среды и скорости распространения в ней ультразвуковых волн. Достигнув границы двух сред с разным импедансом, пучок этих волн претерпевает изменения: часть его продолжает распространяться в новой среде, а часть отражается. Коэффициент отражения зависит от разности импеданса соприкасающихся сред, т.е. от степени акустической неоднородности граничащих тканей: чем выше различие в импедансе, тем больше волн отражается.

Кроме того, степень отражения зависит от угла падения волн на граничащую плоскость: наибольшее отражение отмечается при прямом угле падения. Из-за почти полного отражения ультразвуковых волн на границе некоторых сред при ультразвуковом исследовании приходится сталкиваться со «слепыми» зонами: это наполненные воздухом легкие, кишечник (при наличии в нем газа), участки тканей, расположенные за костями. На границе мышечной ткани и кости отражается до 40 % волн, а на границе мягких

тканей и газа — практически 100 %, поскольку газ не проводит ультразвуковые волны. При необходимости ультразвуковое исследование проводят с применением контрастных средств. К их числу относятся, в частности, микропузырьки газа, растворенные в галактозе.

Наибольшее распространение в мимической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики: одномерное исследование (эхография), двухмерное исследование (сонография, сканирование) и допплерография. Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.

Различают два варианта одномерного ультразвукового исследования:

А- и М-методы. Принцип Α-метода показан на рис. 20, а.

Рис. 20. Одномерное ультразвуковое исследование.

а — Α-метод эхографии (на примере исследования глазного яблока): пики на эхоофтальмограмме образованы роговиией (1), хрусталиком (2), сетчаткой (3), склерой (4), ретробульбарной жировой клетчаткой (5); б — М-метод ультразвукового сканирования сердца (эхокардиография).

Датчик находится в фиксированном положении для регистрации эхосигнала в направлении излучения. Эхосигналы представляются в одномерном виде как амплитудные отметки на оси времени. Отсюда, кстати, и название метода

(от англ. amplitude — амплитуда). Иными словами, отраженный сигнал образует на экране индикатора фигуру в виде пика на прямой линии. Количество и расположение пиков на горизонтальной прямой соответствуют расположению отражающих ультразвук элементов объекта. Следовательно, одномерный Α-метод позволяет определить расстояние между слоями тканей на пути ультразвукового импульса. Основное клиническое применение

А-метода — офтальмология и неврология. При исследовании глаза с помощью этого метода можно определить состояние глазного яблока, выявить помутнение стекловидного тела, отслойку сетчатки или сосудистой оболочки, опухоль или инородное тело в глазнице. В неврологии Α-метод позволяет определить локализацию серповидного отростка и тем самым установить наличие объемного процесса в мозге: кровоизлияния, опухоли. Следует отметить, что, несмотря на наличие в настоящее время более сложных,

наглядных и точных методов изучения головного мозга, Α-метод ультразвуковой биолокации по-прежнему достаточно широко применяют в клинике, так как его отличают простота, дешевизна и мобильность исследования.

М-метод (от английского motion — движение) также относится к одномерным ультразвуковым исследованиям (рис. 20, б). Он предназначен для исследования движущегося объекта — сердца. Датчик также находится в фиксированном положении.

Частота посылки ультразвуковых импульсов очень высокая — около 1000 в 1 с, а продолжительность импульса очень небольшая, всего 1 мкс. Таким образом, датчик лишь

0,1 % времени работает как излучатель, а 99,9 % — как воспринимающее устройство.

Отраженные от движущихся стенок сердца эхосигналы записываются на диаграммную

бумагу. По форме и расположению зарегистрированных кривых можно составить

представление о характере сокращений сердца. Данный метод ультразвуковой биолокации получил также название «эхокардиография» и, как следует из его описания, применяется в кардиологической клинике. Как и Α-метод, М-метод благодаря его простоте и доступности достаточно широко используют в клинической практике, преимущественно на первичном, доклиническом этапе обследования.

Ультразвуковое сканирование позволяет получать двухмерное изображение

органов (сонография). Этот метод известен также под названием «В-метод» (от

англ. bright — яркость). Сущность метода заключается в перемещении ультразвукового пучка по поверхности тела во время исследования. Этим обеспечивается регистрация сигналов одновременно или последовательно от многих объектов. Получаемая серия сигналов служит для формирования изображения. Оно возникает на дисплее и может быть зафиксировано на бумаге.

Это изображение можно подвергнуть математической обработке, определяя

размеры (площадь периметр, поверхность и объем) исследуемого органа.

При ультразвуковом сканировании яркость каждой светящейся точки на экране индикатора находится в прямой зависимости от интенсивности эхосигнала. Сигналы разной силы обусловливают на экране участки потемнения различной степени (от белого до черного цвета). На аппаратах с такими индикаторами плотные камни выглядят ярко-белыми, а образования, содержащие жидкость,— черными (рис. 21).

Рис. 21. Сонограмма желчного пузыря при холелитиазе. В полости пузыря определяется одиночный камень ( + + ), за ним видна акустическая ≪дорожка.

Большинство ультразвуковых установок позволяет производить сканирование пучком волн относительно большого диаметра и с большой частотой кадров в секунду, когда время перемещения ультразвукового луча намного меньше периода движения внутренних органов. Это обеспечивает прямое наблюдение на дисплее за движением органов (сокращениями и расслаблениями сердца, перемещениями органов при дыхании и т.д.). О таких исследованиях говорят, что их проводят в режиме реального времени.

Важнейшим элементом ультразвукового сканера, обеспечивающим использование режима реального времени и серой шкалы, является блок промежуточной цифровой памяти. В нем ультразвуковое изображение преобразуется в цифровое и накапливается по мере поступления сигналов от датчика. Одновременно осуществляется считывание изображения из памяти специальным устройством и представление его с необходимой скоростью на дисплее. У промежуточной памяти есть еще одно назначение: благодаря

ей изображение имеет полутоновый характер, такой же, как на рентгенограмме. Однако диапазон градаций серого цвета на рентгенограмме не превышает 15—20 уровней, тогда как в ультразвуковой установке он достигает 64. Промежуточная цифровая память позволяет остановить изображение движущегося органа, т.е. сделать стоп-кадр, и внимательно изучить его на экране дисплея. При необходимости с этого стоп-кадра может быть сделана твердая копия на бумаге, можно записать движение органов на магнитные

носители — диск или ленту.

Допплерография — одна из самых изящных инструментальных методик. Она основана на эффекте Допплера, названном так по имени австрийского ученого — физика и астронома. Этот эффект состоит в изменении длины волны (или частоты) при движении источника волн относительно принимающего их устройства. Он характерен для любых волн (свет, звук и т.д.). При приближении источника к приемнику длина волны уменьшается, а

при удалении — увеличивается. На эффекте Допплера основана работа целого класса ультразвуковых диагностических приборов. Более того, в настоящее время допплерографию можно выполнять с помощью приборов для двухмерной ультразвуковой биолокации.

Существуют два вида допплерографических исследований — непрерывный

(постоянноволновой) и импульсный. При первом генерация ультразвуковых волн осуществляется непрерывно одним пьезокристаллическим элементом, а регистрация отраженных волн — другим. В электронном блоке прибора производится сравнение двух частот ультразвуковых колебаний: направленных на больного и отраженных от него. По сдвигу частот этих колебаний судят о скорости движения анатомических структур. Анализ сдвига частот может производиться акустически или с помощью самописцев.

Непрерывная допплерография — простой и доступный метод исследования. Он наиболее эффективен при высоких скоростях движения крови, например в местах сужения сосудов. Однако у этого метода имеется существенный недостаток: частота отраженного сигнала изменяется не только вследствие движения крови в исследуемом сосуде, но и из-за любых других движущихся структур, которые встречаются на пути падающей ультразвуковой волны. Таким образом, при непрерывной допплерографии определяется суммарная скорость движения этих объектов.

От указанного недостатка свободна импульсная допплерография. Она позволяет измерить скорость в заданном врачом участке контрольного объема. Размеры этого объема невелики - всего несколько миллиметров в диаметре, а его положение может произвольно устанавливать врач в соответствии с конкретной задачей исследования. В некоторых аппаратах скорость кровотока можно определять одновременно в нескольких (до 10) контрольных объемах. Такая информация отражает полную картину кровотока в исследуемой зоне тела пациента. Укажем, кстати, что изучение скорости кровотока иногда называют ультразвуковой флоуметрией.

Результаты импульсного допплерографического исследования могут быть представлены врачу тремя способами: в виде количественных показателей скорости кровотока, в виде кривых и аудиально, т.е. тональными сигналами на звуковом выходе аппарата. Звуковой выход позволяет на слух дифференцировать однородное, правильное, ламинарное течение крови и вихревой турбулентный кровоток в патологически измененном сосуде. При записи на бумаге ламинарный кровоток характеризуется тонкой кривой, тогда как

вихревое течение крови отображается широкой неоднородной кривой.

Большое значение в клинической медицине, особенно в ангиологии, получила ультразвуковая ангиография, или цветное допплеровское картирование (рис. 22, 23).

Рис. 22. Допплерограмма брюшной аорты (поперечное сканирование). Аневризма аорты.

Рис. 23. Цветное картирование нормальной почки в режиме энергетического Допплера.

Метод основан на кодировании в цвете среднего значения допплеровского сдвига излучаемой частоты. При этом кровь, движущаяся к датчику, окрашивается в красный цвет, а от датчика — в синий. Интенсивность цвета возрастает с увеличением скорости кровотока. Иногда для усиления контрастирования в кровь вводят перфузат с микрочастицами, имитирующими эритроциты.

Дальнейшим развитием допплеровского картирования стал так называемый энергетический допплер. При этом методе в цвете кодируется не средняя величина допплеровского сдвига, как при обычном допплеровском картировании, а интеграл амплитуд всех эхосигналов допплеровского спектра. Это дает возможность получать изображение кровеносного сосуда на значительно большем протяжении, визуализировать

сосуды даже очень небольшого диаметра (ультразвуковая ангиография). На ангиограммах, полученных с помощью энергетического допплера, отражается не скорость движения эритроцитов, как при обычном цветовом картировании, а плотность эритроцитов в заданном объеме. Благодаря своим диагностическим возможностям ультразвуковая

ангиография методом энергетического допплера в ряде случаев может заменить более инвазивную рентгеновскую ангиографию (рис. 24).

Pис. 24. Ультразвуковая ангиограмма (цветная допплерограмма) подчелюстного

лимфатического узла, пораженного метастазом рака. Четко видны сосуды опухоли.

Допплеровское картирование используют в клинике для изучения формы, контуров и просвета кровеносных сосудов. С помощью этого метода легко выявляют сужения и тромбоз сосудов, отдельные атеросклеротические бляшки в них, нарушения кровотока. Кроме того, введение в клиническую практику энергетического допплера позволило этому методу выйти за рамки чистой ангиологии и занять достойное место при исследовании различных паренхиматозных органов с диффузными и очаговыми поражениями, например у больных циррозом печени, диффузным или узловым зобом, пиелонефритом и нефросклерозом и др., чему способствует появление класса контрастных веществ для ультразвукового исследования.

Еще один вид допплеровского картирования — тканевый допплер. Он основан на визуализации нативных тканевых гармоник. Они возникают как дополнительные частоты при распространении волнового сигнала в материальной среде, являются составной частью этого сигнала и кратны его основной (фундаментальной) частоте. Регистрируя только тканевые гармоники (без основного сигнала), удается получить изолированное изображение сердечной мышцы без изображения содержащейся в полостях сердца

крови. Подобная визуализация сердечной мышцы, выполненная в фиксированные фазы сердечного цикла — систолу и диастолу, позволяет неинвазивным путем оценить сократительную функцию миокарда (рис. 25).

Рис. 25. Изображение сердца в фазах диастолы (а) и систолы (б) при исследовании в режиме тканевого допплера.

Большие диагностические возможности открываются перед ультразвуковым методом исследования при сочетанном применении сонографии и допплерографии — так называемая дуплексная сонография. При ней получают как изображение сосудов (анатомическая информация), так и запись кривой тока в них (физиологическая информация). Возникает возможность прямого неинвазивного исследования с целью

диагностики окклюзионных поражений различных сосудов с одновременной оценкой кровотока в них. Таким образом следят за кровенаполнением плаценты, сокращениями сердца у плода, направлением кровотока в камерах сердца, определяют обратный ток крови в системе воротной вены, вычисляют степень стеноза сосуда.

Логическим итогом совместного развития двух методов исследования — ультразвукового и эндоскопического — стала эндоскопическая сонография (рис. 26).

Рис. 26. Эндоскопическая сонограмма желудка.

1 — слизистая оболочка (эхогенная); 2 —глубокий слой слизистой оболочки (гипоэхогенный); 3 — подслизистый слой (эхогенный); 4 — мышечная оболочка (гипоэхогенная); 5 — серозная оболочка и адвентициальный слой (эхогенный).

При ней ультразвуковой датчик закрепляют на конце световода, вводимого в полость исследуемого органа, например желудка или кишечника. Предварительно в исследуемую полость вводят около 100 мл воды, что улучшает визуализацию стенки органа. При

этом удается не только получить изображение стенки органа на всю ее глубину, но и установить наличие в ней патологических изменений, в первую очередь опухолей, и степень их распространения.

Данные ультразвукового исследования (сонография) анализируют с учетом анамнеза и клинической картины болезни и в соответствии с общей схемой изучения лучевых изображений. Что же касается конкретных деталей, то первоначально определяют тип сканограммы (линейная, секторная) и положение датчика (оно указано на сонограмме специальной меткой). Затем устанавливают проекцию, в которой выполнено исследование, и элементы сканограммы: координатную сетку, изображение различных структур. Потом тщательно оценивают положение, форму и размеры исследуемого органа.

Большинство мягкотканных органов (щитовидная железа, печень, почки и т.д.) вырисовываются на сканограммах как темные поля, в которых в виде светлых полосок выделяются сигналы от элементов стромы (кровеносных сосудов, желчных протоков и др.).

При развитии в органе неоднородных по отношению к паренхиме структур на сонограммах появляются светлые сигналы от них в виде штрихов, очагов,

разнообразных полос. Весьма демонстративна картина кисты, заполненной жидкостью: она обусловливает округлое однородное темное поле, окруженное светлым ободком плотной ткани. Если содержимое полости неоднородно (например, абсцесс с обрывками некротизировавшей ткани в гное), то на темном фоне полости обнаруживают светлые участки. Воспалительный инфильтрат выделяется как светлый участок неправильной формы с расплывчатыми контурами. Опухолевое образование, наоборот, чаще имеет более правильную форму и более резкие очертания. Самые яркие светлые очаги соответствуют конкрементам. За ними иногда прослеживается длинная темная полоса — «симптом кометы». При диффузных поражениях органа (распространенная инфильтрация, полнокровие, разрастание соединительной ткани) изображение его

становится неоднородным — темные и светлые участки чередуются в различных сочетаниях. Чем плотнее ткань, тем светлее ее отображение.

Литература:

Линденбратен Л.Д., Королюк И.П. Медицинская радиология (основы лучевой диагностики и лучевой терапии): Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. —

М.: Медицина, 2000.— 672 с: ил. (Учеб. лит. Для студентов мед. вузов).