Основы физики ультразвука

Владимирский государственный университет

Э.Г. АБДУЛЛАЕВ, И.П. Бойко К.В. Татмышевский

Ультразвуковая диагностика

В медицине

Учебное пособие

Владимир 2002

УДК 615.83(075.8)

А13

Рецензенты:

Кандидат медицинских наук, доцент заведующий кафедрой терапии
и гастроэнтерологии ФПОВ № 2 Ивановской государственной
медицинской академии

А.И. Морозов

Доктор медицинских наук, профессор Владимирского государствен-
ного педагогического университета.

Н.П. Ларионов

Печатается по решению редакционно-издательского совета
Владимирского государственного университета

Абдуллаев Э.Г., Бойко И.П., Татмышевский К.В.

А13 Ультразвуковая диагностика в медицине: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2002. 213 с.

ISBN 5-89368-322-6

Рассмотрены основные особенности физики ультразвука, структуры приборов для ультразвуковых исследований медленного и быстрого сканирования. Приведены примеры ультразвуковых исследований анатомического строения паренхиматозных и полых органов брюшной полости, почек, мочевого пузыря и других.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям: 190500 – биотехнические и медицинские аппараты и системы, 190600 – инженерное дело в медикобиологической практике. Может быть рекомендовано для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 553400 «Биомедицинская инженерия».

Ил. 45. Библиогр.: 4 назв.

УДК 615.83(075.8)

ISBN 5-89368-322-6 © Владимирский государственный

университет, 2002

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы достаточно быстро произошло становление методов ультразвукового сканирования органов брюшной полости, щитовидной железы, малого таза и др. В настоящее время четко определены возможности ультразвукового сканирования. Без аппаратов ультразвуковых исследований (УЗИ) не обходится практически ни одно лечебно-профилактичес-
кое учреждение. Широкая распространенность ультразвуковой диагностики связана с возможностью визуализации внутренних органов, неинвазивностью исследования, достоверной оценкой состояния органов и возможностью автоматического составления диагностического заключения.

Наиболее часто в медицине используются следующие основные методы диагностики:

1) лучевые (рентгенографические, томографические, ультразвуковые);

2) электрографические (электрокардиография, электромиография, электроэнцефалография и т.п.);

3) клинико-биохимические (цитологические, иммуноферментные);

4) нейроэлектрические (электроакупунктура по Фоллю);

5) изотопные (сцинтиграфия, радиометрия, радиоиммунология, радиоизотопное сканирование);

6) эндоскопические (гастроскопия, колоноскопия, лапароскопия и т.п.).

Ультразвуковая диагностика относится к группе лучевых методов интроскопии. Однако в отличие от рентгенографических методов УЗИ является практически безвредным методом. Генерация и регистрация УЗ волн может быть аппаратно реализована достаточно просто, а результаты представлены в реальном масштабе времени. Информация, полученная в ходе УЗ-сканирования, обрабатывается обычным персональным компьютером. Использование УЗ-аппаратуры не предъявляет особых требований к помещениям, расходным материалам, результаты диагностики получаются оперативно. По сравнению с различными видами компьютерной томографии УЗ-диагностика существенно дешевле.

Кроме того, как показала практика, оказалось возможным использовать ультразвуковое сканирование для изучения строения и топографии внутренних органов в процессе изучения дисциплин «Анатомия и физиология человека» и «Основы биологии человека и животных» студентами немедицинских специальностей. Применение УЗ-сканирования для этих целей обеспечило наглядность и доходчивость подачи материала.

Основы физики ультразвука

Приборы медленного сканирования

В настоящее время приборы медленного (ручного, сложного) сканирования представляют лишь исторический интерес. Морально они умерли с появлением приборов быстрого сканирования (приборов, работающих в реальном времени). Однако их основные компоненты сохраняются и в современных приборах (естественно, с использованием современной элементной базы). Сердцем прибора является главный генератор импульсов
(в современных аппаратах – мощный процессор), который управляет всеми системами ультразвукового прибора (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема ультразвукового аппарата

Генератор импульсов посылает электрические импульсы на трансдьюсер, который генерирует ультразвуковой импульс и направляет его в ткани, принимает отраженные сигналы, преобразовывая их в электрические колебания. Эти электрические колебания далее направляются на радиочастотный усилитель, к которому обычно подключаются временно-амплитудный регулятор усиления (ВАРУ) и регулятор компенсации тканевого поглощения по глубине. Ввиду того, что затухание ультразвукового сигнала в тканях происходит по экспоненциальному закону, яркость объектов на экране с увеличением глубины прогрессивно падает. Использование линейного усилителя, т.е. усилителя, пропорционально усиливающего все сигналы, привело бы к переусилению сигналов в непосредственной близости от датчика при попытке улучшения визуализации глубоко расположенных объектов. Использование логарифмических усилителей позволяет решить эту проблему. Ультразвуковой сигнал усиливается пропорционально времени задержки его возвращения – чем позже вернулся, тем сильнее усиление. Таким образом, применение ВАРУ позволяет получить на экране изображение одинаковой яркости по глубине. Усиленный таким образом радиочастотный электрический сигнал подается затем на демодулятор, где он выпрямляется и фильтруется, и еще раз усиленный на видеоусилителе попадает на экран монитора. Для сохранения изображения на экране монитора необходима видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые мониторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной форме. Устройство, называемое дискриминатором, позволяло изменять порог дискриминации – сигналы, интенсивность которых была ниже порога дискриминации, не проходили через него и соответствующие участки экрана оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог дискриминации, представлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависела от абсолютного значения интенсивности отраженного сигнала – все белые точки имели одинаковую яркость. При таком способе представления изображения – он получил название "бистабильный" – хорошо были видны границы органов и структуры с высокой отражающей способностью (например почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных органов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов, которые позволяли передавать на экране монитора оттенки серого цвета, знаменовало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информацию, которая была недостижима при использовании приборов с бистабильным изображением. Развитие компьютерной техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изображений к цифровым. Цифровые изображения в ультразвуковых установках формируются на больших матрицах (обычно 512×512 пикселов) с числом градаций серого цвета 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на глубину 20 см на матрице 512×512 пикселов один пиксел будет соответствовать линейным размерам в 0,4 мм. На современных приборах имеется тенденция к увеличению размеров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса 12-дюймовый (30 см по диагонали) экран становится обычным явлением.

Электронно-лучевая трубка ультразвукового прибора (дисплей, монитор) использует остро сфокусированный пучок электронов для получения яркого пятна на экране, покрытом специальным фосфором. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно перемещать по экрану. При А-типе развертки (А – вместо английского слова "амплитуда" (Amplitude)) по одной оси откладывается расстояние от датчика, по другой – интенсивность отраженного сигнала. В одних приборах А-тип развертки практически не используется, в других В-тип развертки (В – вместо английского слова "яркость" (Brightness)) позволяет вдоль линии сканирования получить информацию об интенсивности отраженных сигналов в виде различия яркости отдельных точек, составляющих эту линию. М-тип (иногда ТМ) развертки (М – вместо английского слова "движение" (Motion)) позволяет регистрировать движение (перемещение) отражающих структур во времени. При этом по вертикали регистрируются перемещения отражающих структур в виде точек различной яркости, а по горизонтали – смещение положения этих точек во времени. Для получения двумерного томографического изображения необходимо тем или иным образом произвести перемещение линии сканирования вдоль плоскости сканирования. В приборах медленного сканирования это достигалось перемещением датчика вдоль поверхности тела пациента вручную.