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.