Медицинские основы метода

Методы одномерной эхолокации

К таким методам относятся:

1) эхоэнцефалография;

2) эхоофтальмоскопия;

3) синусоскопия;

4) эхокардиография.

Методы основаны на использовании теории ультразвука. Основной принцип эхолокации заключается в том, что на границе двух сред возникает отражение, которое подвергается дальнейшему исследованию в каждом из методов. Технически в каждом из методов имеется 1 излучатель УЗ сигналов и 1 приемник. Как правило, они выполнены в корпусе одного датчика. Частота работы датчиков для эхолокации 0,88 МГц – 3,5 МГц.

Эхоэнцефалография

Используется для исследования структуры мозга с целью выявления опухолей и гематом.

Медицинские основы метода

Принцип ЭхоЭГ исследования основывается на наличии в центре мозга некоторого образования представляющего собой шар, наполненный жидкостью, плотность которого отличается от плотности вещества мозга и соответственно на эхограмме отображается в виде всплеска. Исследование проводится путем эхолокации в симметричных точках слева и справа, далее измеряется расстояние до отражения от серединной структуры и определяется смещение этой серединной структуры, называемой М-эхо. Если смещение есть, то в мозге есть некоторое образование, которое можно отнести к опухоли или гематоме.

Техника проведения исследования

Обычно ЭхоЭГрафы могут работать в двух режимах:

1) эмиссионный;

2) трансмиссионный.

Эмиссионный подразумевает собой излучение и прием эхосигналов одним УЗ датчиком.

Трансмиссионный подразумевает наличие двух датчиков, один из которых излучает эхосигналы, а другой их принимает.

Существует одна методика, используемая трансмиссионный режим, который так и называется, и несколько методик, основанных на эмиссионном режиме:

1) исследование М-эха;

2) вентрикулоскопия;

3) пульсоскопия;

4) индекс мозгового плаща;

5) среднеселлярный индекс.

Трансмиссионный режим

Применяется с целью определения истинного размера головы. Излучающий и принимающий датчики ставятся в симметричных точках с обоих сторон головы напротив друг друга.

Исследование М-эха

Методика измерения расстояния до М-эха рассмотрена ранее. При определении М-эха пользуются формулой

< 2 мм,

где d_л – расстояние до М-эха слева, d_п - расстояние до М-эха справа.

Расстояние до конечного комплекса (КК) слева и справа определяется и сравнивается для идентификации корректного положения датчика.

Вентрикулоскопия

Измерение ширины желудочков.

Смысл проведения методики заключается в измерении ширины эхограмм отражений от желудочков головного мозга. Выражается в мм, норма 5-8 мм.

Пульсоскопия

Смысл проведения методики в определении пульсаций серединных структур в зависимости от кровенаполнения мозга. При притоке крови в мозг амплитуда М-эха возрастает, при оттоке крови – уменьшается. Методика проводится в течение определенного промежутка времени (несколько десятков секунд). В течение этого времени измеряется амплитуда М-эха для каждого эхоимпульса, определяется максимальное и минимальное значения амплитуды М-эха и рассчитывается в % отношение минимального значения к максимальному.

Среднеселлярный индекс

При проведении данной методики врач добивается одновременного отражения от желудочков и М-эха. Измеряется расстояние от начала локации до каждого из желудочков (D₁, D₃), а также расстояние до М-эха D₂.

Индекс мозгового плаща

При проведении методики добиваются одновременного отражения от М-эха и бокового височного желудочка. Измеряются расстояния между М-эхо и конечным комплексом и расстояние между отражением от височного желудочка и конечным комплексом. В норме ИМП < 2,3

Структурная схема ЭхоЭГрафа

Основным блоком, управляющим всеми процессами в схеме, является цифровой блок, ядром которого является МП, в котором записывается программа функционирования всей схемы. Он управляет процессом формирования УЗ импульсов, их приемом, обработкой, аналого-цифровым преобразованием и передачей сигнала в ПК. Для формирования УЗ импульсов в ЭхоЭГрафе обычно используется трехфазный синусоидальный сигнал амплитудой 50В. формированием такого сигнала занимается блок формирования импульсов следующим образом: процессор в цифровом виде подает кодовую последовательность на блок формирования импульсов, тот преобразует его в аналоговую синусоидальную форму, генератор формирует необходимое напряжение. В результате с блока формирования импульсов на датчик излучения подается электрическое колебание, датчик излучения формирует УЗ импульс, который проникает через все физиологические структуры в мозг, отражаясь от некоторых структур мозга. Отраженные таким образом сигналы поступают на датчик приема эхоимпульсов (трансмиссионный или эмиссионный).

Обычно датчик излучения и эмиссионный датчик приема конструктивно выполнены в одном корпусе. Частота работы датчиков 0,88 МГц, либо 1,76 МГц.

Датчики приема преобразуют УЗ сигнал в электрический, который поступает на приемный тракт прибора. Т.к. электрический сигнал может поступать как от эмиссионного, так и от трансмиссионного датчика, то на входе приемного тракта расположен коммутатор, выбирающий под управлением МП нужный сигнал.

Далее сигнал усиливается с помощью усилителя, ограничивается сверху и снизу по частоте. Снизу необходимо устранять реверберационные помехи, а сверху – для дальнейшей корректной дискретизации сигнала. Далее, если необходимо, сигнал усиливается оконечным усилителем до напряжения, необходимого для АЦП, подвергается аналого-цифровому преобразованию и записывается во внутреннее или внешнее ОЗУ МП, откуда далее МП его считывает и передает в ПК с помощью блока связи с ПК, обычно совмещенный с гальванической развязкой.

Эхоофтальмоскопия

Метод предназначен для получения информации о расположении и характере структур глаза, орбиты глаза и измерение линейных параметров глаза методом УЗ локации. Позволяет исследовать внутреннее строение глаза как при прозрачных средах, так и при заболеваниях с частичной и полной потерей прозрачности, а также для обнаружения инородных тел внутри глаза. Рабочая частота датчика 5,28 МГц или 10,56 МГц.

Синусоскопия

Это метод исследования гайморовых и лобных пазух, выявление наличия в них жидкостей и новообразований методом УЗ локации. Метод также относится к одномерной эхолокации. Рабочая частота датчика 3 МГц.

Эхокардиография

Медицинские основы метода

ЭхоКГ – УЗ исследование сердца, позволяющее определять заболевания, связанные с изменениями структуры сердца и его функций (инфаркт миокарда, порок сердца…).

Принцип исследования заключается в локации УЗ импульсов в области сердца путем прикладывания УЗ датчика к телу пациента в области груди. Результатом эхолокации может быть одна, двух или трехмерное изображение сердца, в том числе в динамике в течение некоторого интервала времени.

Физические основы метода

Существует 3 основных режима ЭхоКГ:

1) А-режим;

2) В-режим;

3) М-режим.

1) А-режим представляет собой обычное изображение одномерной эхолокации, где на одномерной эхограмме возникают импульсы, показывающие участки границы двух сред. Изображение аналогично ЭхоЭГ.

2) В-режим может быть как одномерным, так и двухмерным. При использовании В-режима получают изображение, представляющееся в виде последовательности светлых и темных пятен, яркость которых зависит от амплитуды отраженного эхоимпульса. При одномерном отображении В-режима результат эхолокации представляется в виде линии, представленной разными цветами и отражающей глубину зондирования. Т.к. исследование сердца лучше проводить в динамике, то, отображая с приходом очередного эхоимпульса линию, ее отображают под линией предыдущего эхоимпульса. В итоге получается плоскость, где по оси абсцисс – глубина зондирования, по оси ординат – время. В итоге можно проследить изменение эхограммы в динамике.

3) Результатом работы М-режима является изображение, представленное на рис., где радиус – глубина зондирования, цвет отображает амплитуду ответа на эхолокацию.

Для реализации М-режима используют двухмерные датчики, представляющие собой либо вращатель с набором керамических пластин, либо УЗ решетку, состоящую из некоторого количества отдельных датчиков.

Аппаратура для проведения ЭхоКГ исследований

Датчики бывают 4 видов. Они делятся на 2 класса:

1) механические;

2) электронные.

Для ЭхоКГ датчики работают на частоте 2 МГц.

Механические датчики могут быть качающиеся и вращающиеся.

А) Б) В)

Рисунок

А) качающегося датчика;

Б) и В) вращающихся датчиков.

В качающихся датчиках имеется одна керамическая пластина, которая меняет свое положение так, как это показано на рис. Датчик снабжен блоком управления, который поворачивает пластину. В итоге получается сектор эхолокации. Величина угла сканирования 80⁰-90⁰.

А) Б)

Рисунок

Во вращающихся датчиках имеется несколько керамических пластин, расположенных так, как показано на рис. Каждая из пластин предполагает возможность эхолокации под углом 80⁰-90⁰, а определенное количество пластин, расположенных по кругу, позволяет получать практически непрерывное эхоизображение.

Электронные датчики бывают линейные и секторные с фазированной решеткой.

А) Б) В)

Рисунок А) -линейный датчик

Б) и В) - сектроные

Линейный датчик состоит из последовательности отдельных датчиков очень малого размера, каждый из которых управляется блоком формирования импульсов и каждый из которых получает отраженные эхосигналы. В данном случае изображение получается не секторое, объемное. Последовательное возбуждение датчиков линейно продвигает УЗ луч.

Секторный датчик с фазированной решеткой самый распространенный. В этом типе используется некоторое количество керамических пластин, каждая из которых управляется блоком управления, но при этом имеется возможность изменения направления УЗ луча по средством временной синхронизации возбуждения каждого элемента. Часто обеспечение угла сканирования достигается путем различной глубины размещения пластины или элемента в датчике.

Принцип работы аппаратной части аналогичен аппаратуре для одномерной эхолокации (ЭхоЭГ).

ПО для ЭхоКГ системы

Помимо основных функций (база данных, формирование отчетов, отображение результатов и т.д.) основной задачей ПО для ЭхоКГ является применение алгоритмов обработки изображений.

Основные алгоритмы, использующиеся в ПО:

1) масштабирование изображения с целью увеличить и рассмотреть отдельные элементы эхограмм;

2) повышение четкости изображения для определения точных границ отображаемых объектов на эхограмме;

3) расчет основных параметров объекта на эхограмме (площадь, объем и т.д.).

УЗ доплерография

Медицинские основы метода

УЗ доплеровский прибор представляет собой локационное устройство, принцип работы которого заключается в излучении зондирующих сигналов в тело пациента, приеме и обработке эхосигналов, отраженных от движущихся элементов кровотока сосуда.

Возбуждение УЗ колебаний и прием эхосигналов при работе доплеровского прибора выполняется датчиком, в состав которого входит один или несколько УЗ преобразователей. Широкий спектр УЗ исследований сосудов современным доплеровским прибором обеспечивается за счет применения датчиков различного назначения, отличающихся между собой характеристиками излучаемого ультразвука (непрерывным или импульсным типом излучения, частотой излучения), а также конструктивными параметрами (обычные датчики, датчики со специальным креплением для мониторинга, плоские датчики для хирургического применения).

При работе доплеровского прибора излучается УЗ волна в мягкие ткани, после чего осуществляется прием и анализ отраженных эхосигналов от движущихся элементов крови в кровеносных сосудах (главным образом от красных кровяных телец).

V – скорость кровотока;

Q – угол излучения по отношению к скорости кровотока;

F_отр – частота отраженной волны от частиц кровотока;

F₀ – излученная датчиком УЗ волна.

Принцип работы доплеровских приборов основан на использовании эффекта Доплера, суть которого состоит в изменении частоты принимаемой волны из-за взаимного движения источника и приемника волны. В данном случае в роли источника и приемника волны поочередно выступают датчик и элементы кровотока. Первоначально источником волны является датчик и, который обеспечивает излучение исходной звуковой волны в ткани. Затем элементы кровотока, рассеивающие излученную датчиком УЗ волну, выступают в качестве приемника исходной УЗ волны от датчика и источника обратной УЗ волны, принимающейся в свою очередь датчиком.

,

где с – скорость распространения УЗ в мягких тканях (с=1500 м/c).

Выражая из данной формулы скорость и зная остальные значения, мы можем рассчитать скорость кровотока отдельных частиц крови, движение стенок сосудов и сердца.

Экспериментально определено, что в норме разница между F₀ и F_отр соответствует частотному диапазону 0 – 5 кГц. При нарушениях кровотока эта разница лежит в диапазоне 5 – 20 кГц.