Ультразвуковая диагностика (УЗД)
3.1. Принцип УЗД. Ультразвуковая диагностика – метод визуализации органов и тканей с помощью ультразвуковых волн. В силу своей простоты, безвредности и эффективности широко применяется в медицине – особенно на ранних стадиях диагностического процесса.
3.2. Физика ультразвука. Звук - это механическая продольная волна, распространяющаяся в упругих средах (твердых, жидких, газообразных), в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии. Звуковые колебания с частотой свыше 20 000 в секунду (20 КГц) называются ультразвуком. С диагностической целью применяют ультразвук с частотой от 2 до 20 МГц. В отличие от электромагнитных волн (к которым относится и рентгеновское излучение), для распространения звука необходима среда, т.е. волна переносит энергию, но не материю, в вакууме ультразвук не распространяется. Энергия диагностического ультразвука не превышает 0,05 Вт/см2, он практически не вызывает биологических эффектов. Высокочастотный диагностический ультразвуковой сигнал гасится воздухом, поэтому зона исследования покрывается гелем, что создает полноценную среду для передачи сигнала с датчика в ткани.
Принципы построения ультразвукового изображения. Ультразвук вырабатывается пьезокристаллом (в современных аппаратах их несколько), размещенным в датчике УЗ-сканера. Ультразвуковые волны в виде узкого пучка направляются в исследуемую часть тела и претерпевают изменения – ослабляются, поглощаются, преломляются, отражаются, интерферируют и т.д. Измененная ультразвуковая волна отражается от границы двух разных по плотности сред и возвращается к датчику.
Отраженные эхо-сигналы принимаются тем же пьезокристаллом датчика и после компьютерной обработки преобразуются в ультразвуковое изображение. При этом учитывается время возвращения сигнала и его интенсивность. Скорость распространения ультразвуковой волны разная в различных тканях – минимальная в воздухе – 348 м/с, максимальная в костной ткани – 4050 м/с, но при обработке поступившего сигнала используется усредненная скорость волны – 1540 м/с. Использование указанной величины позволяет осуществить калибровку диагностических приборов при измерениях. Разные ткани по-разному проводят ультразвук, а, значит, отраженные сигналы имеют различную интенсивность, их пространственное расположение геометрически подобно анатомическим структурам. Особенностью УЗИ является изображение среза органа, а не его проекции на плоскость, характерной для рентгеновского исследования. Соответственно, если ультразвуковой луч проходит через исследуемый орган мимо патологического очага, то на экране монитора изображения этого очага не получится. И наоборот, если патологический очаг, находясь вне органа, проецируется на него, то и на полученной эхограмма этот очаг будет выглядеть как бы «в органе».
Для улучшения качества изображения в ультразвуковой диагностике используют так называемые акустические окна – ткани и структуры, расположенные между ультразвуковым датчиком исследуемым объектом. Они должны соответствовать ряду требований:
- высокая звукопроводимость; оптимальное вещество для акустического окна – гомогенная жидкость, классический пример акустического окна – осмотр органов малого таза через наполненный мочевой пузырь;
- ткани не должны значительно рассеивать ультразвук;
- малое расстояние между датчиком и исследуемым объектом (кроме всего прочего, это позволяет использовать высокочастотные датчики с большей разрешающей способностью);
- ширина акустического окна должна быть больше исследуемого объекта или хотя бы сопоставима с ней.
Хорошими акустическими окнами могут быть печень или мышцы. В противном случае акустическое окно можно создать – наполнить, например, желудок жидкостью для осмотра поджелудочной железы или сместить датчиком петли кишечника для этих же целей.
Основные методы УЗД.
Методы ультразвукового исследования по способу генерирования, обработки сигнала и построения ультразвукового изображения можно разделить на 4 группы:
одномерную эхографию (А-режим или метод и М-режим),
двухмерную эхографию (В-режим),
3-х и 4-мерную реконструкцию изображения (3Д и 4Д режимы),
допплерография в разных вариантах
Кроме того, используется сочетание некоторых из перечисленных методов, а также применение эхоконтрастов.
А-режим (от англ. amplitude – амплитуда) – заключается в воспроизведении эхосигнала в виде пиков на прямой линии. Высота пиков характеризует интенсивность отражения сигнала от границы двух сред на его пути, а расстояние между пиками соответствует расстоянию между структурами на пути сигнала. Метод до сих пор применяется в промышленной дефектоскопии. В медицине практически утратил свою актуальность. Применялся при исследовании мозга – эхоэнцефалография, при изучении структур глазного яблока – эхоофтальмография, для оценки толщины подкожно-жировой клетчатки, при поиске жидкости в гайморовых пазухах – эхогайморография.
М-режим (от англ.motion – движение) - показывает одновременное сканирование движущихся структур с разверткой изображения во времени. Благодаря развертке во времени формируется двумерное изображение, состоящее из множества кривых линий различной яркости. По вертикали отображается величина расстояния от объекта до датчика, по горизонтали – время сканирования. Метод применяется для исследования движущихся объектов – чаще сердца (эхокардиография). Позволяет оценить толщину и особенности движения миокарда и состояние клапанного аппарата сердца.
В-режим (от англ. brightness – яркость) – самая распространённая методика в ультразвуковом сканировании. Её ещё называют ультразвуковым сканированием, но это всё же не плоскостное, а суммационное изображение толщи органа. Используется практически во всех областях применения диагностического ультразвука – от исследования суставов до акушерства и кардиологии. Изображение представляет из себя мозаику из множества точек – пикселов, яркость которых (то есть степень «белизны» или «черноты») определяется интенсивностью отраженных от объекта эхосигналов – так называемая «серая шкала». Исследование идёт в режиме real time – сканирование в масштабе реального времени. При этом неподвижные изображения - кадры (результат каждого полного прохода луча через исследуемую зону) с большой частотой сменяют друг друга, создавая впечатление движения. То есть, у исследователя имеется возможность «в живую» наблюдать динамические процессы, происходящие внутри тела пациента. Метод основан на получении ряда анатомических срезов через те или иные плоскости тела, выбираемые исследователем, с полседующим анализом полученных изображений. Фактически происходит прижизненное изучение анатомии того или иного органа пациента.
Разрешающая способность ультразвуковых датчиков в выявлении патологических процессов, локализованных на различной глубине, значительно отличается. Для исследования глубоко расположенных областей используются низкочастотные датчики, но при этом снижается чувствительность метода. Для исследования поверхностных структур человеческого тела нужны высокочастотные датчики, которые значительно увеличивают разрешающую способность метода.
Изображение на экране может быть прямоугольным, трапециевидным или в виде сектора, что зависит от конструкции датчика (датчики соответственно называются линейными, трапециевидными, секторными и др.).
В зависимости от доступа для проведения осмотра все УЗ-исследования делятся на чрескожные, полостные (трансвагинальные, трансректальные, трансуретральные, транспищеводные и эндоскопические), инвазивные (интраоперационные).
3Д режим является результатом компьютерной обработки информации, полученной в В-режиме. После сложной цифровой обработки объема информации, полученного при выполнении последовательных срезов в В-режиме, создается виртуальное трехмерное статическое изображение неподвижного объекта. Возможность трехмерной реконструкции изображения напрямую связана с высокой производительностью компьютерной системы, обрабатывающей полученную информацию. Метод позволяет проводить точный анализ объемов изучаемых объектов, получать любой срез практически в любой плоскости сканирования (в том числе и венечный) и уточнять данные, полученные с помощью двухмерной эхографии. Полученные данные можно сохранить на жестком диске и проанализировать после исследования (так называемое «повторное виртуальное исследование»).
Наибольшее распространение получили ледующие способы реконструкции:
поверхностная реконструкция (удобен для исследования личика плода и суставной поверхности);
«рентгеновский» метод (после сквозного сканирования объема в исследуемом блоке информация преобразуется в плоскостную, как при рентгенологическом исследовании); метод используется в артрологии.
объемный режим (позволяет получать избирательные сигналы только от наиболее плотных структур или только от жидкостных образований и дает возможность, например, изучать скелет плода или объемно реконструировать чашечно-лоханочный комплекс почки при гидронефротической трансформации ).
Исследование в 3Д-режиме применяется для получения объемных изображений плода в различные сроки беременности для выявления врожденных пороков развития, в гинекологии для изучения особенностей строения матки и придатковых образований, в онкологической и хирургической практике для детального изучения объемных образований брюшной полости и забрюшинного пространства, измерения объема щитовидной железы и т.д.
4Д режим появился в 2000 году - real time 3Д – трехмерный ультразвук в реальном масштабе времени, и он позволяет проводить трехмерную реконструкцию подвижных объектов. Метод используется, в основном, в фетальной эхокардиографии для более точной пренатальной диагностики врожденных пороков сердца плода. Представляет собой сложные сочетания 3Д реконструкции движений сердца плода с различными модификациями допплеровских режимов.
Допплерография – метод ультразвукового исследования движущихся объектов, основанный на применении эффекта, описанного австрийским астрономом Кристианом Допплером в 1842 году и носящем его имя. К.Допплер обратил внимание на различные окраски галактик и смог понять, что изменение цвета зависит от направления их движения. Первоначально допплеровский эффект был описан для электромагнитного волнового излучения, но оказался общим для любого волнового процесса – в том числе и для акустического. Методика основывается на выявлении так называемого частотного допплеровского сдвига – изменения длины волны и частоты отраженного акустического сигнала – в зависимости от направления движения исследуемого объекта. Существует две основные модификации допплеровских режимов работы: постоянно-волновой и импульсно-волновой допплеровский режим. Они различаются способом излучения диагностического сигнала датчиком – в первом случае сигнал излучается непрерывно, а во втором – в прерывистом режиме. Постоянно-волновой допплер применяется только в кардиологии, так как позволяет работать с высокоскоростными потоками крови, но не дает возможности определить глубину залегания исследуемого объекта. Импульсно-волновой допплер применяется практически во всех остальных областях. Выявленный частотный сдвиг обсчитывается компьютером ультразвукового сканера, и полученная информация может быть представлена в различных вариантах:
- спектральный допплеровский анализ,
- цветовые допплеровские модификации.
В первом случае информация преподносится в виде так называемого «допплеровского спектра» - диаграммы или кривой. Это позволяет определить как качественные, так и количественные характеристики кровотока в исследуемом сосуде.
Цветовые допплеровские модификации представляют в основном качественные характеристики кровотока и, в свою очередь делятся на ряд режимов:
- цветовое допплеровское картирование (ЦДК) – при нем происходит картирование (окраска) разными цветами движущейся в сосудах крови. Это позволяет определить скорость и направление потока (от датчика - к датчику). Применяется в кардиологии, ангиологии, терапии, акушерстве для выявления аномально направленных потоков крови, дифференциации артериальных и венозных потоков;
- энергетическое допплеровское картирование (ЭД или ЭДК) – движущиеся объекты картируются переливом одного цвета, метод не дает возможности судить о направлении потока, но позволяет оценить его энергию. Другое название методики – ультразвуковая ангиография – так как на экране хорошо видны даже мелкие сосуды обследуемой зоны, и можно качественно оценить архитектонику сосудистого русла периферии. Широко применяется для оценки особенностей кровоснабжения объемного образования в онкологической практике, гинекологии, терапии, урологии;
- конвергентный допплер (ЦДК+ЭДК) – сочетает в себе перечисленные методики, улучшая каждую из них. Применяется в выше перечисленных областях.
- тканевой допплер или тканевое допплеровское изображение (оценка локальной сократимости миокарда) – метод позволяет отконтрастировать миокард от движущихся потоков крови и улучшить визуализацию его структур, а значит с высокой точностью оценить сократительную способность миокарда.
- трехмерная реконструкция сосудистого дерева при ЭДК – сочетание режима 3-Д и ЭДК, позволяет более точно оценить взаимное расположение объемного образования и сосудистого русла в зоне обследования. Наибольшее применение методика нашла в онкологии.
Кроме перечисленных методов ультразвуковой диагностики нередко используются их сочетания: дуплексный режим – сочетание В-режима и одного из допплеровских режимов в масштабе реального времени; триплексный режим – сочетание серошкального изображения с цветовым и спектральным допплеровскими режимами. Применяются во всех направлениях ультразвуковой диагностики, где требуется точная оценка особенностей сосудистого русла.
Контрастные вещества, применяемые в ультразвуковой диагностике основаны на принципе усиления интраваскулярного контрастирования тканей за счет содержащихся в контрасте пузырьков газа. Наиболее распространённые контрастные вещества для УЗИ это эховист и левовист. УЗИ с использованием контрастныъ веществ применяют при кардиологических и онкологических исследованиях (уточнение типа васкуляризации объемных образований – чаще всего печени), в гинекологии (методика контрастирования полости матки и маточных труб - эхогистеросальпингоскопия).
Эффективность ультразвуковых исследований зависит от ряда условий: качества оборудования, профессиональных навыков и опыта исследователя, технологии проведения исследования.
Поэтому метод УЗИ считается самым субъективным из всех лучевых методов исследования.
Учитывая высокую информативность метода УЗИ, его неинвазивность, быстроту получения информации и доступность, методы УЗИ практически не имеют абсолютных показаний и имеет самый высокий индекс применения.
Ограничения метода УЗИ. Следует подчеркнуть, что ультразвуковой метод имеет свои ограничения. С его помощью можно выявлять образования или структуры только в том случае, когда их акустические характеристики будут отличаться от акустических характеристик окружающих тканей и размер этих объектов будет не меньше длины волны датчика. Ограничивают применение УЗД тучность больных, выраженный метеоризм, большое количество свободной жидкости в брюшной полости.