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 2).

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.

Аппараты специального назначения - в зависимости от конкретной области использования: эхокардиографы, эхоостеометры, эхосинускопы, эхоофтальмоскопы, эхомаммоскопы и др.

По габаритам ультразвуковая диагностическая аппаратура делится на: портативные аппараты, переносные, полустационарные, стационарные.

Портативные аппараты, которые отличаются малыми размерами и массой (обычно не более 5-8 кг). Естественно, такие аппараты не могут быть универсальными и иметь очень широкие возможности и области применения, однако, с их помощью можно проводить диагностику заболеваний органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза, осмотры в акушерской практике. Такие аппараты удобно использовать в ситуациях оказания скорой и неотложной помощи, в амбулаторных условиях, а также в стационаре в качестве прикроватного монитора (например, для диагностики ранних послеоперационных осложнений в палатах интенсивной терапии или для оценки акушерской ситуации в предродовой палате и родовом зале).

Переносные - имеют несколько большие размеры и массу, но также легко перемещаются к месту проведения исследова­ния (вместо того, чтобы транспортировать пациента в кабинет ультразвуковой диагностики). Эти аппараты являются достаточно совершенными диагностическими системами и могут иметь не­сколько датчиков, в том числе и специальные (внутриполостные, интраоперационные, биопсийные).

Полустационарные - представляют собой более сложные устройства. Как правило, они имеют несколько сменных рабочих датчиков, Экран такого аппарата обычно имеет размер более 25 см по диагонали. Именно этот тип аппаратов чаще всего встречается в практике. Размещаются они на специальных тележках или станинах с колесами, что, в принципе, позволяет осуществлять транспортировку, например, в операционную или палату интенсивной терапии. Однако, чаще их используют как постоянно установленные в кабинете устройства.

Стационарные - большие, сложные и дорогие диагностические системы (обычно с компьютерной обработкой изображения) по своим габаритам и массе требующие больших помещений и не позволяющие транспортировать их в собранном состоянии.

Именно к этому классу относятся некоторые специальные аппараты - например, ультразвуковые иммерсионные маммографы.

С точки зрения конструктивных особенностей аппарата и реализованного в нем принципа получения изображения классифика­ция выглядит более сложной:

По способу получения диагностической информации аппараты разделяются на:

· Одномерные (работающие в А-режиме). Такие аппараты дают возможность исследовать объект только по направлению одного излучаемого датчиком ультразвукового сигнала (по глубине).

· Двумерные (имеющие В-режим работы)- это аппараты сканирующего типа. Как правило, в таких аппаратах присутствует и М-режим, а часто также и одномерный.

· К редкому типу двумерных аппаратов относятся устройства, имеющие С-режим;

· Аппараты, имеющие встроенный доплеровский блок или приставку;

· Аппараты с устройством цветного доплеровского картирования.

· Модели аппаратов экспертного класса со специальными датчиками и блоками обработки информации, дающие объемное изображение.

По типу и виду сканирования:

· Аппараты, сканирующие в реальном масштабе времени, которые позволяют получать на экране изображение, соответствующее моменту проведения исследования и наблюдать движения объекта. Большинство выпускающихся сегодня аппаратов относятся к данному типу.

· Устройства сложного ручного сканирования, дающие на экране статическое изображение (картинка появляется на экране постепенно, «рисуется» при перемещении датчика по коже);

· Приборы механического сканирования с «медленным» перемещением элемента внутри корпуса датчика или в водной среде, куда погружается исследуемая часть тела.

По методу обработки отраженных эхосигналов:

· Устройства с серой шкалой. Изображение на экране такого аппарата имеет множество оттенков серого цвета. К этому типу относится абсолютное большинство современных аппаратов;

· Аппараты с условным цветовым кодированием отраженных сигналов. Изображение составляется на экране не из серых точек различной (в зависимости от амплитуды) яркости, а из цветных, выбранных для каждого уровня сигнала.

· Аппараты с бистабильной обработкой эхосигналов. Воспроизводятся только отражения, превышающие пороговый уровень, которые, независимо от амплитуды, на экране имеют одинаковую яркость. Этим методом можно получить только изображение контуров объекта и основных составляющих его внутренней структуры. В настоящее время такие аппараты, так же как и аппараты с «цветной серой шкалой» практически не производятся.

В ультразвуковом диагностическом аппарате часто соединяются (по блочному принципу) ряд приспособлений и устройств, обеспечивающих как разные типы сканирования, так и возможность специальной обработки отраженных сигналов.