Ультразвуковая диагностическая аппаратура
Виды и типы ультразвуковых диагностических устройств
В современной клинической практике широко применяются многие виды и типы ультразвуковых диагностических устройств. Имеется множество аппаратов, специально разработанных и предназначенных для различных разделов медицины. Например, до настоящего времени в офтальмологической практике, травматологии, нейрохирургии и оториноларингологии, наряду со сканирующими, используются и относительно простые аппараты, работающие в одномерном режиме (А-метод). При этом неверно считать их устаревшими или несовершенными. Они специально и наилучшим образом приспособлены для конкретных исследований. В зависимости от области применения эти аппараты имеют свои конструктивные особенности и наборы датчиков, рабочий диапазон которых весьма широк - от десятков мегагерц в офтальмологии до десятков килогерц в травматологии и оториноларингологии.
Классификация ультразвуковой диагностической аппаратуры представляется непростой задачей, так как имеется много параметров для разделения аппаратов на группы.
С практической точки зрения, ультразвуковые аппараты могут быть разделены в зависимости от области применения на аппараты общего назначения, универсальные аппараты, аппараты специального назначения.
Аппараты общего назначения - относительно недорогие и несложные в работе. С их помощью производится осмотр органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза. Дополнительные датчики позволяют исследовать щитовидную, молочные железы, мягкие ткани. Эти аппараты могут применяться также в акушерской, педиатрической и неонатологической клиниках.
Универсальные аппараты — имеют все перечисленные возможности аппаратов общего назначения и, кроме того, ряд дополнительных.
Специальные датчики к этим аппаратам делают их по-настоящему многофункциональными и универсальными: например, дают возможность осмотра предстательной железы трансректальным доступом, исследования в операционной ране; применения в офтальмологии, производства прицельной тонкоигольной биопсии. Наличие в таком аппарате доплеровского блока позволяет проводить осмотр сердца и сосудов с оценкой их функций и т.п.
Ультразвуковой датчик получает короткий электрический импульс и генерирует соответствующий волновой импульс. Импульс состоит из нескольких циклов. Волна распространяется вглубь тканей, от передатчика. Ткани поглощают, рассеивают, отражают и преломляют волновой фронт. Отраженная волна направляется в сторону датчика (при этом ткани поглощают, рассеивают, отражают и преломляют возвращающуюся волну). Датчик переключается в режим приемника и преобразует воспринимаемые волны в электрические импульсы. Через определенный период времени датчик прекращает работать на прием и передает следующую волну.
Датчик (передатчик, преобразователь) преобразует одну форму энергии в другую. Ультразвуковые датчики преобразуют электричество и волны давления. В настоящее время это может быть выполнено с помощью пьезоэлектрического кристалла (пьезо означает «давление»). В будущем, вероятно, будет возможно прямое преобразование.
Фазовый датчик (датчик для конвергентного сканирования) имеет набор кристаллов, которые могут возбуждаться сериями. Некоторые фазовые датчики могут поворачиваться с использованием возможностей электроники, испуская волну, проникающую в ткани под углом.
В эхокардиографии мы имеем дело с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот. В датчике это преобразование осуществляется специальным кристаллом — пьезоэлектрическим элементом. Пьезоэлектрический элемент изменяет свои размеры под воздействием электрического тока и, напротив, порождает электрический ток под действием приложенного к нему давления, например, со стороны ультразвуковых волн. Таким образом, пьезоэлектрический кристалл может посылать и принимать ультразвуковые волны. В датчике пьезоэлектрический элемент находится между двумя электродами (плюс и минус). Проходящий через элемент электрический ток заставляет его то расширяться, то сжиматься и тем самым генерировать ультразвуковые волны. С другой стороны, приходящие ультразвуковые волны элемент преобразует в электрические импульсы, регистрируемые катодным осциллографом. Оптимальная длина пьезоэлектрического элемента равна 1/2 длины волны. В этом случае элемент колеблется с резонансной частотой. Колебания пьезоэлектрического элемента распространяются по всем направлениям, в том числе в направлении корпуса датчика. Чтобы исключить волны, отраженные от корпуса датчика, корпус выстилают поглощающим материалом. Генерированный ультразвуковым датчиком сигнал распространяется на некоторое расстояние, называемое ближней зоной, в виде пучка параллельных волн, которые затем расходятся в так называемой дальней зоне. Наилучшим образом могут быть исследованы объекты, находящиеся в ближней зоне: здесь выше интенсивность излучения и больше вероятность того, что ультразвуковые лучи распространяются перпендикулярно границе раздела фаз. Интенсивность измеряется числом волн на единицу площади. Протяженность ближней зоны (l) зависит от радиуса датчика (r) и длины ультразвуковой волны (l):
l = r/l.
Поскольку l = V/f,
где V — скорость распространения ультразвука в тканях,
f — его частота,
V = 1540 м/с,
получим: l = r2´f/1540.
Отсюда ясно, что размер ближней зоны можно увеличить, увеличив частоту или радиус датчика (таблица).
|
Таблица Сравнительная характеристика различных ультразвуковых датчиков |
||
|
Параметры датчика |
Преимущества |
Недостатки |
|
Малый диаметр |
Датчик можно использовать при узких межреберьях, его можно сильно отклонять, дает тонкий пучок в ближней зоне |
Короткая ближняя зона, большая дивергенция в дальней зоне |
|
Большой диаметр |
Длинная ближняя зона, относительно малая дивергенция в дальней зоне |
Низкое латеральное разрешение из-за широкого пучка |
|
Высокая частота |
Высокая разрешающая способность, длинная ближняя зона |
Низкая проникающая способность |
|
Низкая частота |
Высокая проникающая способность |
Низкая разрешающая способность, короткая ближняя зона |
Применив конвергирующие и рассеивающие линзы, можно удлинить ближнюю зону и уменьшить расхождение ультразвуковых лучей в дальней зоне. Конвергирующие линзы фокусируют параллельные ультразвуковые волны и используются в датчиках для сжатия пучка. Они формируют узкий пучок высокой интенсивности на коротком участке, за пределами которого лучи расходятся, но не в такой степени, как это было бы без использования конвергирующих линз. В современных датчиках фокусировка ультразвуковых лучей осуществляется не оптическими линзами, а электронными средствами.
В общем виде процесс работы эхокардиографа может быть представлен следующим образом. В некоторый момент времени датчик посылает короткий ультразвуковой импульс. Импульс линейно распространяется в гомогенной среде до тех пор, пока не дойдет до границы раздела фаз, где происходит отражение или преломление ультразвуковых лучей. Через время, равное t, отраженный звук (эхо) вернется к датчику, который теперь работает как приемник. Зная скорость распространения звуковой волны (1540 м/с) и время, за которое звук прошел расстояние до границы фаз и обратно (∆t), можно вычислить расстояние между датчиком и этой границей (D):
D = 1540 ∆t/2.
Это соотношение между временем и расстоянием и лежит в основе метода ультразвуковой визуализации сердца. Обычно в эхокардиографии используют ультразвуковые импульсы длительностью около 1 мc. Пьезоэлектрический элемент работает в режиме генерации менее 1% времени, а все остальное время — в режиме приема. При этом пациент получает минимальные дозы ультразвукового облучения.