2. Тепловое действие.

Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука, существуют короткое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь на протяжении полупериода колебаний, затем сменяется повышенным давлением, что приводит к быстрому захлопыванию микрополостей. В результате увеличения колебательного движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших объемах выделяется большая тепловая энергия, что приводит к повышению температуры среды. Следовательно, ультразвук оказывает тепловое действие. Тепловой эффект ультразвука зависит от его интенсивности и длительности.

3. Химическое действие.

• При захлопывании каверн молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей. Это в свою очередь приводит к образованию ионов и радикалов.

• Например, молекула воды расщепляется на водород и гидроксильную группу, образуются радикалы водорода и гидроксильной группы. Ионы и радикалы вступают во взаимодействие с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами, что может привести к пространственной перестройкой внутриклеточных молекулярных компонентов.

• Таким образом, при кавитации образуются реакционно способные вещества, которые вступают во взаимодействие с молекулами, следовательно, УЗ оказывает химическое действие. Проявляется химическое действие не сразу после облучения, а по истечению некоторого времени.

Биологические эффекты

В зависимости от интенсивности, частоты, длительности УЗ вызывает разные биологические эффекты. При низкой интенсивности и длительности облучения УЗ вызывает чаще положительный эффект, при большой интенсивности и длительности - отрицательный.

1. Облучение малой интенсивности: микровибрация на клеточном и субклеточном уровне. При интенсивности не более 1 Вт/см² усиливается движение цитозоли, активизируются транспортные процессы в цитоплазматических и клеточной мембранах, что приводит к увеличению проницаемости клеточной мембраны, улучшаются процессы тканевого обмена, таким образом вызывается положительный эффект.

2. Облучение средней интенсивности (менее 10 Вт/см²) переменное ультразвуковое давление может привести к разрушению макромолекул и их перестройке и повреждению.

3. При интенсивностях более 10 Вт/см² и длительном облучении происходят необратимые морфологические и функциональные изменения – наблюдается отрицательный биологический эффект. Необратимое повреждение начинается чаще всего в ядрах клеток и выражается в патологических деформациях, скручиваниях, разрывах, что приводит к разрушению клеток и гомогенизации ткани.

4. При длительном действии УЗ с частотой 30 кГц в производственных условиях наблюдается утомляемость, сонливость, головокружение, расстройство нервной системы. Это объясняется способностью УЗ вызывать двухфазные изменения возбудимости: сначала повышение в области воздействия ультразвука, а затем понижение.

Ультразвуковая диагностика

ГЕНЕРАТОРЫ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Рождением ультразвукового метода можно считать создание эхолота или сонара (гидролокатора) во время первой мировой войны. Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период. Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. 2

Гидролокатор – прибор, который посылает звуковые волны через воду к погруженным объектам и воспринимает отраженные от них эхосигналы. В последующем эти концепции нашли применение и дальнейшее развитие в медицинской диагностике.

Выбор датчика

Для ультразвукового исследования применяется большое количество разных УЗ датчиков. Они отличаются:

• Типом сканирующей поверхности

• Частотой

• Глубиной проникновения

Что необходимо учесть при выборе УЗИ датчика?

• Вид исследования

• Глубина исследования

• Какие режимы УЗИ сканера будут использоваться

Существуют следующие виды датчиков:

1D - одномерный

2D - двумерный

3D - объемный

4D - объемный в режиме реального времени

По типу сканирующей поверхности можно выделить:

• Секторный

• Линейный

• Конвексный

Каждый тип датчика современного УЗИ аппарата имеет ряд характеристик:

• Частота [МГц] (основная рабочая частота / набор частот для мультичастотного датчика)

• Радиус кривизны сканирующего модуля [мм] (для конвексных и микроконвексных дачтичков)

• Длина(габариты) сканирующего модуля [мм] для линейных, секторных и некоторых других датчиков

• Угол поля зрения [градусы]

• Глубина [мм], проникающая способность

• Совместимость с биопсийными наборами

• Перечень совместимых (поддерживаемых) моделей УЗИ аппаратов

• Области применения, режимы и виды УЗИ исследований (совместимые наборы настроек в программном обеспечении УЗИ аппарата)

• Габариты [мм]

• Производитель

Основные типы датчиков

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементам коротких электрических импульсов. Продолжительность импульса составляет 1 мкс. Этот же датчик в перерыве между генерацией волн воспринимает отраженные сигналы и транформирует их обратно в электрические. То есть за время работы датчик только 0,001 часть времени генерирует УЗ-волны (1мкс), а оставшиеся 0,999 (999 мкс) –воспринимает отраженные волны (работает как приемник).

Линейный датчик

1. Линейный датчик – высокочастотный датчик с частотой 5-15 МГц, чаще 7,5 МГц, используется, главным образом, для исследования поверхностно расположенных органов (щитовидной железы, молочной железы, лимфатических узлов, поверхностных сосудов и т.д.).

Обладает минимальным искажением получаемого изображения, поскольку положение самого трансдюссера на поверхности тела полностью соответствует размерам исследуемого органа.

Линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высоким разрешением, но ограничены небольшой глубиной сканирования (не более 8-10 см).

Кроме того, недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения равномерного прилегания поверхности трансдьюссера к коже пациента, что часто приводит к появлению воздушных прослоек между кожей и датчиком и, соответственно, помех на получаемом изображении.

Частые неисправности:

• Воздушные пузыри на акустической линзе.

• Проблемы с коннектором.

• Выход из строя пьезоэлементов.

Конвексный датчик

2. Конвексный датчик (англ. convex–выпуклый) – обладает выпуклой рабочей поверхностью, что обеспечивает лучший контакта с кожей в исследуемой области; частота 1,8-7,5 МГц, чаще –3,5 МГц.

Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение несколько больше по ширине и может быть искажена форма исследуемого объекта. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие.

За счет меньшей частоты глубина сканирования достигает 25-30 см, используется для исследования глубоко расположенных органов брюшной полости, забрюшинного пространства, малого таза и др.

Частые неисправности:

• Стирание акустической линзы.

• Проблемы с кабелем, манжетой.

• Выход из строя пьезоэлементов.

• Трещины на корпусе.

Секторный датчик

3. Секторный датчик – обладает небольшой рабочей поверхностью, генерируемые ультразвуковые волны имеют форму сектора, имеется еще большее несоответствие между размерами трансдюссера и получаемым изображением. Работает на частоте 2-5 МГц.

Применяется в тех случаях, когда необходимо с небольшого участка поверхности тела получить в несколько раз больше обзор на глубине, например, когда через межреберные промежутки проводят исследование сердца при эхокардиаграфии. Кроме того, он применяется при исследовании головного мозга у детей до года – доступ через большой и малый роднички.

Частые проблемы:

• Проблемы с линзой

• Трещины корпуса

• Проблемы с манжетой

Режимы работы уз аппаратов

Отраженный эхосигнал может быть представлен на экране в следующих режимах:

А - режим;

В - режим;

М - режим;

допплеровские режимы;

комбинированные режимы (одновременное использование двух и более режимов);

режимы с построением объемного изображения (3D и 4D);

эластография.

А – режим

В данном формате эхо с различной глубины отображаются в виде вертикальных пиков на горизонтальной линии, отображающей глубину (или реальное время). Сила эха определяет высоту или амплитуду каждого из получаемых пиков, отсюда и термин: амплитудный режим или А - режим.

А - режимный формат дает только одномерное изображение акустического сопротивления вдоль линии прохождения ультразвукового луча и в настоящее время редко используется для диагностики, так как точность метода невысока.

В – режим

Самый распространенный на практике, дает 2D-изображение.

B-brightness. Данный термин означает, что эхо изображается на экране в виде ярких точек, и яркость определяется силой эха.

Формирование изображения определяется тем, что различные ткани по-разному проводят УЗ - волны: некоторые ткани полностью отражают их, другие – рассеивают. Если УЗ волна свободно проходит через ткань, не отражаясь от нее, на экране это место будет черным, «эхопрозрачным» (рис. А). Если ткань умеренно поглощает УЗ-волны, а часть их отражает, то эта ткань «средней эхогенности», на экране она выглядит серой (рис. В). Если же ткань полностью отражает УЗ-волны, то на экране визуализируется только граница такого объекта в виде линии «высокой эхогенности» белого цвета, глубжележащие органы и ткани рассмотреть нельзя (рис. С).

Ткани, отражающие УЗ-волны называются эхоплотными,

Ткани, пропускающие – эхопрозрачными, или анэхогенными.

Чем более светлым выглядит объект, тем выше его эхогенность – способность отражать ультразвуковой сигнал. Современные ультразвуковые аппараты могут регистрировать до 1024 оттенков серого цвета, что позволяет получить очень реалистичное изображение органов.

М – режим

• Также одномерный режим, М – motion.

• Ось глубины на мониторе ориентируется вертикально, а временная развертка –в горизонтальном направлении. Таким образом, получают кривые, которые предоставляют детальную информацию о перемещениях расположенных вдоль ультразвукового луча отражающих структур.

• Если прямые параллельны – значит структуры неподвижны. Если расстояние уменьшается – то структуры сближаются.

• Широко применяется данный режим при исследовании сердца, когда можно проследить перемещение створок клапанов сердца, оценить изменение размеров полостей сердца при его сокращениях, изучать особенности сокращения крупных сосудов и др.

Доплеровский режим

• Путем сопоставления исходной частоты ультразвука с измененной можно определить доплеровский сдвиг и рассчитать скорость. При этом объект должен удаляться или приближаться к источнику излучения (в нашем случае – к датчику или от датчика).

Если объект движется вдоль датчика, т.е. не приближается и не удаляется, то он остается неподвижным или «невидимым» для доплеровского исследования. В качестве движущегося объекта при использовании эффекта Доплера в медицине являются элементы крови.

• Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны λ) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается:

????0 - циклическая частота источника, с-скорость волны в среде, v – скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

• Доплеровские режимы позволяют оценивать основные параметры кровотока – скорость, направление, ламинарность, а также степень васкуляризации исследуемой области.

В настоящее время в клинической практике используются следующие виды доплеровского исследования:

•непрерывная и импульсная потоковая спектральная доплерография (ПСД),

• цветовое доплеровское картирование,

• энергетический доплер.

Непрерывная (постоянноволновая) псд

Методика основана на постоянном излучении и постоянном приеме отраженных ультразвуковых волн. Применяется для количественной оценки кровотока в сосудах c высокоскоростными потоками.

Недостаток: невозможность изолированного анализа потоков в строго определенном месте. В эхокардиографии с помощью постоянноволнового доплера можно произвести расчеты давления в полостях сердца и магистральных сосудах в ту или иную фазу сердечного цикла, рассчитать степень значимости стеноза и т. д.

• На нижней части изображения показана регистрация в непрерывной допплерографии движение крови в аорту во время систолы левого желудочка. Пики внизу под изолинией соответствуют выбросу крови в аорту.

Импульсная псд

• Методика базируется на периодическом излучении серий импульсов ультразвуковых волн, которые, отразившись от эритроцитов, последовательно воспринимаются тем же датчиком. Применяется для количественной оценки кровотока в сосудах. На временной развертке по вертикали отображается скорость потока в исследуемой точке. Потоки, которые двигаются к датчику, отображаются выше базовой линии, обратный кровоток (от датчика) – ниже. Максимальная скорость потока зависит от глубины сканирования, частоты импульсов и имеет ограничение (около 2,5 м/с при диагностике заболеваний сердца). Место исследования кровотока называют контрольным объемом. Достоинства: возможность оценки кровотока в любой заданной точке.

Цветовой доплер

• Основано на кодировании в цвете значения допплеровского сдвига излучаемой частоты. Методика обеспечивает прямую визуализацию потоков крови в сердце и в относительно крупных сосудах, позволяет получать двумерную информацию о кровотоках в реальном времени в дополнение к обычной серошкальной двумерной визуализации.

• Сигналы, отраженные от неподвижных структур, распознаются и представляются в серошкальном виде. Если отраженный сигнал имеет частоту, отличную от излученного, то это означает, что он отразился от движущегося объекта.

• Обычно направление потока к датчику кодируется красным, а от датчика – синим цветом. Яркость цвета определяется скоростью потока. Темные оттенки этих цветов соответствуют низким скоростям, светлые оттенки – высоким. Недостаток: невозможность получения изображения мелких кровеносных сосудов с маленькой скоростью кровотока.

• Достоинства: позволяет оценивать как морфологическое состояние сосудов, так и состояние кровотока по ним.