Физические основы метода ультразвуко­вой диагностики и интерпретация эхограмм.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА ЗАБОЛЕВАНИЙ ОРГАНОВ БРЮШНОЙ ПОЛОСТИ И ЗАБРЮШИННОГО ПРОСТРАНСТВА.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКО­ВОЙ ДИАГНОСТИКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭХОГРАММ.

Процесс внедрения УЗ в диагностику проходил мед­ленно и трудно. Достаточно отметить, что УЗ как физи­ческое явление детально изучено на 15 лет раньше, чем лучи Рентгена, тогда как его внедрение в клиническую практику осуществлено на 50 лет позднее. Только прогресс электроники в послевоенные годы позволил со­здать УЗ-диагностическую аппаратуру.

Первым в клинических условиях апробировал метод УЗ-диагностики австрийский невропатолог Дуссик в 1942 году. Однако вследствие несовершенства получаемого изображения метод гиперфонографии, как его назвал автор, не получил распространения.

В 1947-1952 годах американские врач и инженер Ховри и Блисс провели серию успешных исследований и внед­рили в клиническую практику сначала одномерный (А) метод, а затем и двумерный (Б). С этого времени развитие УЗ-диагностики приобрело неуклонно прогрессирующий характер и к середине 70-х годов совершило в медицине подлинный переворот.

Ультразвук - одна из форм звука, представляющего собой упругие колебания частиц материальной среды, частота которых превышает 20000 герц. Человек, как известно, слышит звуковые колебания, частотные харак­теристики которых находятся в условных пределах от 20 до 20000 герц. Звуковые колебания выше этого уровня носят название ультразвуковых, ниже - инфразвуковых.

УЗ-колебания характеризуются способностью рас­пространяться в определенном направлении и переносить при этом энергию. Несмотря на то, что энергия передает­ся на достаточное большое расстояние, истинное движе­ние частиц материальной среды ограничивается неболь­шим перемещением относительно точки покоя. В мяг­ких тканях организма человека скорость УЗ-волн состав­ляет в среднем 1530 м\с. Однако не следует забывать, что это усредненный показатель и что скорость распростра­нения УЗ-волн колеблется от 1535 м\с в жидкой среде до 1665 м\с в хрящевой ткани.

Структура среды вследствие колебательных движе­ний частиц характеризуется чередованием участков сжа­тия и разряжения. Сочетание одного сжатия и последую­щего за ним разряжения определяется как цикл. Рассто­яние от начала одного цикла до другого носит название длины волны, а количество циклов в единицу времени - частоты УЗ-колебаний. Длина волны измеряется в милли­метрах, частота - в герцах (1 Гц равен одному циклу в секунду). Длина волны и частота находятся в обратно пропорциональной зависимости, поскольку скорость счи­тается величиной постоянной. Частоты, используемых для диагностических целей, колеблется от 1 до 15 милли­онов герц, или мегагерц (МГц). Наибольшее распростра­нение получили преобразователи с рабочей частотой 3,5 и 5 МГц, излучающие УЗ-колебания с длиной волны соответственно 0,44 и 0,31 мм.

Для энергетической характеристики потока УЗ-волн используется понятие интенсивности, которое определя­ет среднюю величину удельной акустической мощности и измеряется в ваттах на квадратный сантиметр. Этот показатель имеет первостепенное значение для оценки безопасности эхографии. Действие УЗ в зависимости от интенсивности экспозиции может быть терапевтическим (от 2 до 3 Вт\см кв.) или разрушающим (свыше 4 Вт\см кв.). Интенсивность при УЗ-исследованиях находится в пределах 0,005-0,25 Вт\см.кв., что составляет 1\100-1\1000 повреждающей дозы.

На распространение УЗ-волны существенное влияние оказывает акустическое сопротивление среды, или ее им­педанс. Сопротивление зависит от плотности тканей и скорости распространения в них УЗ-колебаний. Его вели­чина имеет минимальное значение у жидкости (1,4 кг\м кв х с), максимальное - у костной ткани (1,9 кг\м кв x с). Так, в костной ткани при частоте 1 МГц поглощение УЗ-энергии происходит на глубине 0,4 см, а в жидкости - на глубине 70 см. Этим объясняется невозможность полно­ценного изучения костных структур. В то же время оче­видно, что жидкость является идеальной средой для рас­пространения УЗ. Поэтому наполненные мочевой пузырь или желудок представляют собой своеобразные «акусти­ческие окна» для оценки органов малого таза или подже­лудочной железы. На практике неоднократно убеждаешь­ся, что присутствие в том или ином виде жидкости в изучаемых структурах значительно облегчает исследование.

УЗ-колебания во многом подчиняются законам опти­ки. В однородной среде УЗ-волны распространяются пря­молинейно. Однако, если на их пути возникает среда, характеризующаяся иным импедансом, то на границе этих двух сред, именуемой интерфейсом, происходит отраже­ние (рефлексия) и преломление (рефракция) УЗ-волн. Подобно свету УЗ-колебания могут быть сфокусированы.

Все эти свойства лежат в основе метода эхографии. Важно отметить, что для отражения УЗ-волны достаточ­но минимальной, всего в 1 процент, разницы импедансов. Чем значительнее градиент акустического сопротивле­ния соседних тканей, тем большая часть энергии отража­ется. Например, интерфейс «мягкие ткани - кость» отра­жает около 65% энергии, а на границе с газом рефлексия УЗ будет практически полной. Отмеченное объясняет невозможность использования современной УЗ-аппаратуры для полноценного изучения газосодержащих орга­нов, таких как кишечник или легкие. Эта же причина обусловливает необходимость использования специаль­ных контактных сред между излучающей поверхностью преобразователя и кожей пациента.

В силу закона «угол падения равен углу отражения» количество возвращаемой к преобразователю УЗ-энергии будет пропорционально увеличению угла наклона оси УЗ-луча к поверхности интерфейса и будет макси­мальным, если этот угол составит 90 градусов. Переходя из одной среды в другую, УЗ-поток подвергается рефрак­ции, которая, однако, возникает только в тех случаях, когда угол падения отличен от прямого. Угол отклонения УЗ-луча зависит от величины разницы импедансов. Выраженная рефракция приводит к достаточно сущес­твенному рассеиванию УЗ-волн.

Выше отмечалось, что УЗ-волны в основном подчиня­ются законам оптики. Одно из исключений представляет явление дифракции, характеризующееся захождением УЗ-волн в область тени позади препятствий, превышаю­щих длину волны, и исчезновение тени позади объектов, приближающихся к ее длине. Об этом следует помнить при обнаружении различного рода «микроконкрементов».

Современная диагностическая УЗ-аппаратура рабо­тает по принципу эхолокации. Излучение и прием УЗ-волн осуществляется одним и тем же устройством - преобразователем, или трасдюсером. Механизм работы преоб­разователя основан на поочередном использовании об­ратного и прямого пьезоэлектрических эффектов. Пьезоэлементы, как известно, под влиянием предложенно­го к ним электрического поля деформируются. Подобная деформация сопровождается УЗ-излучением (обратный пьезоэффект). Механическое воздействие на пьезокристалл возвратившихся УЗ-волн приводит к образованию электрической энергии (прямой пьезоэффект).

Все диагностические приборы, за исключением неко­торых, использующих эффект Допплера, работают в импульсном режиме. Частота генерации импульсов со­ставляет в среднем 1200 в секунду. При этом важно подчеркнуть, что в режиме излучения УЗ-колебаний преобразователь функционирует лишь 0,1% времени цик­ла, тогда как на прием отводится 99,9%. Подобный ритм работы прибора является одним из факторов, определя­ющих безопасность УЗ-диагностики, поскольку факти­ческое время инсанации при обычном по продолжитель­ности исследовании составляет лишь несколько секунд.

УЗ-преобразователь испускает волны в виде луча. Форма его определяется диаметром пьезоэлемента, час­тотой волны, наличием акустических линз. Врачу, рабо­тающему с УЗ-аппаратурой, необходимо иметь представ­ление о фокусном расстоянии преобразователя, так как только в зоне фокусировки изучаемый объект будет изображаться наиболее отчетливо. В преобразователях с электронным сканированием выбор оптимального фокусного расстояния упрощается за счет специального устройства динамического фокусирования. В механичес­ких секторных преобразователях подобного устройства нет.

Расчеты показывают, что у преобразователей с рабо­чей частотой 3,5 и 5 МГц толщина луча в зоне фокусиро­вания колеблется от 3 до 4 мм. В самых современных УЗ-приборах удалось уменьшить толщину луча до 2 мм. Из этих данных следует один очень важный практический вывод: эхограмма, появляющаяся на экране монитора, представляет изображение только одного, достаточно тон­кого среза исследуемых тканей и, в отличие от рентгеног­рамм, не всегда позволяет передать полноту необходимой информации о патологии. Поэтому при отсутствии до­статочного опыта сканирование может быть проведено вне зоны патологических изменений, а возникающие мно­гочисленные артефакты могут создать иллюзию их нали­чия. Все это должно предостеречь начинающих врачей от желания проконсультировать полученные ими эхограммы. В подобных ситуациях рекомендуется повторное об­следование пациента врачом-консультантом.

Попутно следует отметить, что в последнее время достаточно успешно проводятся исследования по созда­нию трехмерного изображения. Технически это осущес­твляется с помощью специальных датчиков, обеспечива­ющих одновременное электронное и механическое скани­рование в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Одним из основных показателей диагностических возможностей преобразователя является его разрешаю­щая способность, под которой понимают минимальное расстояние между двумя объектами, позволяющее вос­принимать их на экране прибора раздельно. Различают аксиальное (вдоль луча) и латеральное (перпендикуляр­ное лучу) разрешение. Аксиальное зависит от длины волны: если она меньше расстояния между двумя объек­тами, последние на экране воспринимаются раздельно; если больше - их изображения сливаются. Латеральное разрешение определяется шириной УЗ-луча: если она мень­ше расстояния между двумя объектами, последние вос­принимаются раздельно; если больше - слитно. Например, для преобразователей с частотой 3,5 и 5 МГц теоретичес­кая, идеальная аксиальная разрешающая способность в зоне фокусирования составит соответственно 0,44 и 0,31 мм, то есть будет равна длине волны. Практически вследствие неоднородности УЗ-потока аксиальное разрешение составляет примерно две длины волны, то есть несколько менее 1 мм. Латеральная разрешающая способ­ность колеблется от 2 до 4 мм.

Для исследователя важно знать величину проникаю­щей способности УЗ-волн, генерируемых тем или иным преобразователем. Так высокочастотные преобразова­тели (5-7 МГц) обладают высокой разрешающей способ­ностью, но низкой пенетрантностью, что позволяет полу­чить высококачественное изображение объектов, распо­ложенных относительно неглубоко. Для исследования более отдаленных структуру следует отдавать предпоч­тение преобразователям с меньшей частотой (2,5-3,5 МГц), но с большей проникающей способностью УЗ.

Существует несколько способов регистрации отраженных УЗ-волн. Их изображение в виде вертикальных всплесков, отходящих от горизонтальной линии. носит название одномерного, или А-метода (амплитуда). При этом величина импульса прямо пропорциональна интен­сивности отраженного сигнала и, следовательно, харак­теризует эхогенность интерфейса.

Наибольшее распространение в настоящее время при­обрел метод двумерного изображения, или Б-метод (яр­кость). Изображение формируется в результате переме­щения, или сканирования, УЗ-луча в заданной плоскости. При этом эхосигналы фиксируются на запоминающей трубке в виде точек. В настоящее время вся УЗ-диагностическая техника имеет систему многотонального изображения (так называемую серую шкалу). Благодаря этой системе устанавливается четкое соотношение между уровнем яркости (в градации серого тона) получаемого изображения и интенсивностью отра­женного сигнала.

Сканирование может быть осуществлено различными способами. В современных сканерах используется принцип, получивший название real time. Изображение при этом имеет динамичный характер благодаря быстрой, более 25 раз в секунду, смене статичных изображений, получаемых при электронном и механическом сканировании. Электронное линейное и конвексное сканирование осуществляется блоком попе­ременно работающих пьезоэлементов, механическое сек­торное - одним, двумя или тремя вращающимися пьезоэлементами.

Для регистрации движущихся структур, как, напри­мер, миокард и клапанный аппарат сердца, используется ТМ-метод (time motion - движение во времени). В М-режиме изображение на экране повернуто на 90 градусов по отношению к тому, как воспроизводится А-методом (отраженные сигналы откладываются не на горизонталь­ной, а на вертикальной оси, причем амплитуда изобража­ется не пиком сигнала, а яркостью свечения точки в месте его отражения). Плоскость, на которую проецируется изображение, смещается во времени, подобно движущей­ся бумаге прибора с механической записью процесса. На экране при этом воспроизводится график перемещения изучаемого объекта во времени. Изображение может быть остановлено для детального изучения и измерений параметров. С помощью ТМ - метода оценивается скорость движения клапанов, рассчитываются различ­ные гемодинамические показатели (ударный и минутный объемы, частота сердечных сокращений и др.).

В последние годы широкое распространение в медици­не получил метод допплерэхографии. Принцип допплера заключается в изменении частоты УЗ-колебаний, отра­женных от движущихся объектов. Допплеровский частот­ный сдвиг - разность между частотой испускаемого и отраженного УЗ-потока - прямо пропорционален скорос­ти движения этих объектов. При обследовании человека метод допплерэхографии позволяет получить ценнейшую информацию о скоростных и объемных параметрах тока крови в сосудах.

Приборы, работающие по принципу допплера, по ха­рактеру испускаемых УЗ-волн подразделяются на постоянные и пульсирующие. Существенное преимущество приборов с пульсирующей доплеровской волной заклю­чается в уверенности в том, что эхосигналы регистриру­ются именно с того сосуда, который нужен.

Исследование кровотока включает его количествен­ный и качественный анализ. Количественные показатели (средняя линейная и объемная скорости кровотока) могут быть получены при так называемых уголзависимых ис­следованиях. При уголнезависимых исследованиях изу­чаются качественные показатели: соотношение между максимальной скоростью кровотока и скоростью конеч­ного диастолического кровотока (индекс С\Д); соотношение между разностью максимальной систолической и ко­нечной диастолической скоростями и усредненной ско­ростью кровотока (пульсационный индекс); соотношение между разностью максимальной систолической и конеч­ной диастолической скоростями и максимальной систоли­ческой скоростью кровотока (индекс резистентности).

В последние несколько лет все более широкое распрос­транение получают У3-приборы, позволяющие визуаль­но .определить направление кровотока в сосудах. Исполь­зуются, как правило, два цвета - синий и красный. Один из них отражает направление кровотока к преобразова­телю, другой - от преобразователя. Цветной допплер яв­ляется бесценной методикой для локализации небольших по размеру сосудов, таких, как средняя мозговая артерия у плода, или обнаружение иногда ничтожных по своему диаметру межжелудочковых соустий. Чрезвычайно пер­спективными являются исследования с помощью цветно­го допплера кровотока в опухолях и опухолевидных об­разованиях матки и придатков, позволяющие достаточно отчетливо дифференцировать доброкачественный и зло­качественный процессы.

Вопросы безопасности УЗ были и остаются в центре внимания не только специалистов. Воздействие УЗ на биологические ткани приводит к возникновению в них различных эффектов: механическо­му, термическому и физико-химическому.

При малой интенсивности УЗ-потока возникает своеобразный массаж тканей, что способствует улучше­нию обмена веществ. При увеличении интенсивности механические эффекты сопровождаются появлением тепловых. Нагрев тканей на доли градуса повышает, как правило, жизнедеятельность биологических объектов. Однако дальнейшее увеличение интенсивности приводит к их перегреву и кавитации - разрыву тканей в участках, соответствующих фазам разрежения УЗ-волн. Эффект кавитации, в частности, используется в УЗ-скальпеле.

К физико-химическим эффектам относятся изменение. рН среды, расщепление высокомолекулярных связей и т.п. Однако УЗ-энергия любой интенсивности не приво­дит к ионизирующим эффектам. К этому следует доба­вить, что не получено данных о каких-либо кумулятив­ных эффектах УЗ при многократном воздействии.

В настоящее время можно достаточно уверено сделать заключение об отсутствии повреждающего действия УЗ-волн, используемых для диагностики. Как уже отмеча­лось, их интенсивность в сотни раз ниже повреждающего уровня. Наряду с этим импульсное воздействие УЗ уменьшает время фактической инсанации до нескольких секунд. До 50% энергии УЗ-потока, затухая, не достигает исследуемого объекта.

Исследования, посвященные воздействию УЗ на би­ологические объекты, начаты в конце 40-х годов и про­должается по сей день. За этот период накоплена значи­тельная информация, полученная как в эксперименте, так и в клинических условиях. Эти многочисленные исследования не выявили каких-либо изменений в состоянии гене­ративной сферы, развитии потомства, функции отдель­ных органов, их морфологической структуре или биохимической функции. Не обнаружено также каких-либо из­менений в хромосомном аппарате.

Важным разделом введения в эхографию являются методика анализа эхограмм и вопросы терминологии. Как уже отмечалось, эхограмма представляет собой свое­образный «распил» тканей и органов. В верхней ее части отображаются эхосигналы от наиболее близко располо­женных к преобразователю тканей, в нижней - от наиболее удаленных. На поперечных эхограммах левая часть ото­бражает правую сторону пациента, на продольных - головную.

Многотональное изображение органов и тканей может быть представлено как в позитивном, так и в негативном вариантах. Наибольшее распространение получил пос­ледний. Однако и в том и в другом случае все зарегис­трированные эхосигналы определяются нами как эхопозитивные зоны. При этом совершенно неважно, в какой части спектра серого тона они представлены - темной или светлой. Ткани, лишенные интерфейсов или не отражаю­щие эхосигналов достаточной мощности, на эхограммах появляются в виде эхонегативных зон. Классический пример эхонегативной зоны - наполненный мочевой пузырь. Эхопозитивные структуры характеризуются определенным уровнем эхогенности, которая зависит от величины, количества, формы, акустического сопротив­ления интерфейса, а также от угла их сканирования и длины волны.

Основными характеристиками ультразвукового изображения исследуемой структуры, на оценке кото­рых строится ее анализ, описание и формулируется за­ключение являются эхогенность и звукопроводимость. С понятием эхогенности (способности тканей отражать уль­тразвуковые колебания) тесно связана внутренняя эхоструктура ткани.

Различают высокую, среднюю и низкую эхогенность. За среднюю можно условно принять эхогенность матки. Примером высокой эхогенности может служить отраже­ние от кальцификатов. Низкая эхогенность характерна для неизмененных миоматозных узлов в миоме, костей. Определенную помощь в оценке эхографической плот­ности (эхогенности) может оказать оценка соотношения эхогенности некоторых органов и тканей в норме и при патологических процессах в условных баллах: 0 - 0,5 баллов - жидкостные структуры (содержимое мочевого и желчного пузыря, кровь в сосудах, патологические выпоты в брюшной и плевральной полостях и т.п.); 1 -1,5 балла паренхима почки, премаммарная и предбрюшинная жировая клетчатка, щитовидная железа при хроническом лимфоидном тиреоидите (зоб Хашимото); 2 - 2,5 балла -паренхима печени и щитовидной железы в норме; 2,5 - 3 балла - паренхима селезенки и поджелудочной железы, щитовидная железа при хроническом неспецифическом тиреоидите; 3 - 3,5 балла - отек и воспаление подкожно-жировой клетчатки, фибромы; 4 - 4,5 балла - зоны склеро­зирования и микрокальциноза; 5 - баллов - кость, конкре­менты.

Звукопро­водимость отражает способность тканей пропускать или задерживать УЗ-энергию.Уровень звукопроводимости зависит от акустического сопротивления, отражающей и рассеивающей способности среды. Максимальной зву­копроводимостью обладают содержащие жидкость струк­туры; минимальной или, правильнее, нулевой - газосодержащие органы, костная ткань, конкременты и петрификаты.

В клинической практике врачу, осуществляющему УЗ-исследование, приходится постоянно встречаться с различными акустическими феноменами и артефактами. Неправильная их интерпретация может существенно ус­ложнить исследование и привести к ошибочному диагно­зу.

К акустическим феноменам относятся прежде всего эффекты звукопоглощения и звукоусиления. Первый с физической точки зрения объясняется достаточно просто. Второй требует определенных знаний о принципе дейст­вия так называемого глубинно-компенсирующего ус­тройства, которое искусственно увеличивает амплитуду эхосигналов позади содержащих жидкость и гидрофиль­ных образований. Наличие эффекта звукопоглощения позади эхонегативного образования практически одноз­начно указывает на его плотное строение.

Под артефактом понимают появление на эхограммах изображение реально не существующих структур, равно как и отсутствие на них эхосигналов, от действительно существующих.

Наиболее часто приходится встречаться с ревербера­цией. На эхограммах они изображаются в верхней их части как серия равноудаленных друг от друга полос, ориентированных в плоскости сканирования. Их появле­ние обусловлено многократным отражением ультразву­ковой волны на границе раздела двух сред. Чем больше разница в акустическом сопротивлении пограничных слоев, тем более выраженным будет этот артефакт.

«Хвост кометы» - артефакт, помогающий выявить наличие пузырьков газа или металлические объекты. Природа возникновения данного артефакта аналогична реверберации. На эхограммах артефакт выглядит как своеобразный эхопозитивный «хвост», расположенный позади объекта.

Гиперболические артефакты возникаютпри использо­вании линейных или конвексных преобразователей в ре­зультате приема УЗ-волн, генерированных одной груп­пой пьезоэлементов, а принятых - другой. Обычно они отображаются в виде линий и могут имитировать перего­родки в кистозных образованиях.

Появление артефактов толщины центрального луча обусловлено тем, что изображение формирует наиболее энергетически активная часть луча, тогда как перифе­рическая, более слабая, несколько размывает его. Этот артефакт обусловливает большинство ошибочных пред­ставлений о наличии в жидкостных образованиях допол­нительных пристеночных включений.

Об артефактах боковых лучей. Необходимо помнить, что помимо центрального есть еще несколько очень слабых боковых лучей. И если в зону одного из них попадает какой-либо интерфейс с выраженной отражаю­щей поверхностью, его изображение может перенестись на трассу центрального луча. Например, если один из боковых лучей отразится от газового пузыря в кишечни­ке, его изображение может перенестись в проекцию желчного пузыря.

Латеральные тени - артефакт рефлексии и рефракции - достаточно характеры для кист небольшого размера и способствует их правильной диагностике. При пог ада-нии на капсулу кисты часть УЗ-волн отражается от нее и рассеивается, а другая, преломляясь, проникает внутрь кисты. При этом преломленные и отраженные волны расходятся в разные стороны, и непосредственно за боко­выми стенками кисты образуется тень. При наличии плотных образований этот артефакт не появляется.

Артефакты фокусного расстояния. При проведении УЗ-исследования необходимо помнить, что полноценная информация о размерах, форме и структуре объекта может быть получена только в том случае, если объект будет расположен в зоне фокусного расстояния.

Зеркальный артефакт (появление второго изображе­ния объекта) возникает в тех случаях, когда в непосред­ственной близости от исследуемого объекта располагает­ся поверхность с выраженной отражающей способностью. Артефакт является следствием того, что УЗ-прибор неправильно оценивает пробег УЗ-волн от объек­та до поверхности «зеркала» и обратно.

Появление повторных изображений, несколько напо­минающих по природе реверберацию, возникает в тех случаях, когда УЗ-волны сталкиваются с выраженной отражающей поверхностью.

Если УЗ-лучи направлены на исследуемый объект под достаточно острым углом, происходит их рассеивание. Это обычно приводит к «исчезновению» объекта.

В заключение следует отметить, что в большинстве случаев артефакты исчезают при изменении угла скани­рования. Некоторые из артефактов удалить практически невозможно, однако знание физической природы этих акус­тических явлений безусловно поможет избежать диагнос­тических ошибок.