Сегодня я хотел бы рассказать об устройстве и принципах работы современного УЗИ аппарата. Ультразвуковая диагностика давно и прочно вошла в нашу жизнь, и сегодня это одна из самых востребованных процедур как в государственных клиниках, так и на рынке медицинских услуг вцелом.
В одном из следующих постов я расскажу о том, как правильно выбрать УЗИ аппарат для частной практики. Но перед этим я хотел бы рассказать о том, как устроен УЗИ аппарат, и как он работает.
Устройство
Итак, стандартный аппарат ультразвуковой диагностики (или ультразвуковой сканер) состоит из следующих частей:
- Ультразвуковой датчик – детектор (преобразователь), который получает и передает звуковые волны
- Центральный процессор (CPU) — компьютер, который производит все расчеты и содержит электрические источники питания
- Импульсный датчик управления — изменяет амплитуду, частоту и длительность импульсов, излучаемых преобразователем
- Дисплей — отображает изображение, сформированное процессором на основе ультразвуковых данных
- Клавиатура и курсор – служат для ввода и обработки данных
- Дисковое хранилище устройства (жесткий диск, либо CD/DVD) – служит для хранения полученных изображений
- Принтер – используется для распечатки изображений
Ультразвуковой датчик является основной частью любого УЗИ аппарата. Он генерирует и воспринимает звуковые волны, используя принцип пьезоэлектрического эффекта, который был открыт Пьером и Жаком Кюри в далеком 1880 году. Датчик преобразователя содержит один или несколько кварцевых кристаллов, которые также называются пьезоэлектрическими кристаллами. Под действием электрического тока эти кристаллы быстро изменяют свою форму и начинают вибрировать, что приводит к возникновению и распространению наружу звуковой волны. И наоборот, когда звуковая волна достигает кварцевые кристаллы они способны испускать электрический ток. Таким образом, одни и те же кристаллы используются для приема и передачи звуковых волн. Также датчик имеет звукопоглощающий слой, которые фильтрует звуковые волны, и акустическую линзу, которая позволяет сфокусироваться на необходимой волне.
Ультразвуковые датчики бывают самые разные по своей форме и размеру. Форма датчика определяет его поле зрения, а частота излучаемых звуковых волн определяет глубину их проникновения и разрешение получаемого изображения.
Как это все работает?
- Ультразвуковой аппарат передает высокочастотные (от 1 до 18 МГц) звуковые импульсы в тело человека с помощью ультразвукового датчика.
- Звуковые волны распространяются по тему и достигают границ между тканями с разным акустическим сопротивлением (например, между жидкостью и мягкой тканью, мягкой тканью и костью). При этом, часть звуковых волн будет отражена обратно к преобразователю, а другая часть – продолжит свой ход в новой среде. Отраженные волны воспринимаются датчиком.
- Данные от ультразвукового датчика передаются в центральный процессор, который является «головным мозгом» аппарата и служит для обработки полученных данных, формирования изображения и его вывода на монитор. Процессор вычисляет расстояние от датчика до ткани или органа используя известную скорость распространения звука в ткани и время, за которое к датчику вернулся отраженный эхо-сигнал (как правило – порядка миллионных долей секунды).
Ультразвуковой датчик передает и принимает миллионы импульсов и эхо-сигналов каждую секунду. Элементы управления датчиком позволяют врачу устанавливать и изменять частоту и длительность ультразвукового импульса, а также режим сканирования устройства.
Режимы работы аппарата УЗИ
Современные УЗИ-аппараты способны работать в нескольких режимах, основными из которых являются следующие:
A-режим (А-mode, от слова “amplitude”)
Амплитуда отраженного ультразвука отображается на экране осциллографа. В настоящий момент этот режим имеет в основном историческое значение и используется преимущественно в офтальмологии. Естественно, работать в этом режиме способен любой современный УЗИ аппарат.
M-режим (от слова «motion»)
Режим позволяет получать изображение структур сердца в движении. Благодаря высокой частоте дискретизации, М-режим является чрезвычайно ценным для точной оценки быстрых движений.
B-режим (от слова «brightness», в эхокардиографии этот режим называется 2D)
Наиболее информативный и интуитивно понятный режим в современном УЗИ аппарате. Амплитуда отраженного ультразвукового сигнала преобразуется в двухмерное полутоновое изображение. Большинство аппаратов используют 256 оттенков серого цвета, что позволяет визуализировать даже очень небольшие изменения в эхогенности.
Скорость обновления картинки на экране в В-режиме обычно составляет не менее 20 кадров в минуту, что создает иллюзию движения.
2D-режим применяется для измерения камер сердца, оценки структуры и функции клапанов, глобальной и сегментарной систолической функции желудочков.
D-режим (Доплер-режим)
Этот режим визуализации основан на эффекте Доплера, то есть. изменение частоты (доплеровский сдвиг), вызванных движением источника звука относительно приемника. В ультразвуковой диагностике используется изменение частоты отраженного сигнала от эритроцитов. Частота отраженной волны ультразвука увеличивается или уменьшается в соответствии с направлением потока крови по отношению к датчику.
Цветной доплер (Colour flow Doppler imaging, CFI)
Режим позволяет локализовывать кровеносные сосуды (либо отдельные потоки крови, например внутри камер сердца) с определением направления и скорости кровотока. Потоки крови, идущие по направлению к датчику, изображаются красным цветом. Идущие от датчики – синим. Потоки, идущие перпендикулярно плоскости исследования, будут окрашены в черный цвет. Зоны турбулентного кровотока – в зеленый или белый. Впрочем, большинство аппаратов позволяет настраивать цвета того или иного потока по своему усмотрению.
Импульсно-волновой доплер (Pulsed Wave Doppler, PW)
Режим позволяет оценить характер кровотока на определенном участке сосуда и визуализировать области ламинарного и турбулентного кровотока. По сравнению с цветным доплером, позволяет точнее определить скорость и направление кровотока.
Основным недостатком метода является неточное определение потоков с высокой скоростью движения, что накладывает определенные ограничения на его применение.
Постоянно-волновой доплер (Continuous Wave Doppler, CWD)
В этом режиме часть одна часть датчика непрерывно передает, а вторая часть – непрерывно принимает допплеровский сигнал вдоль одной линии на 2D изображении. В отличие от импульсно-волнового доплера, этот метод точно определяет потоки с высокой скоростью. Недостаток метода – неспособность точной локализации сигнала.
CWD используется для измерения скорости потоков регургитации через трехстворчатый, легочный, митральный и аортальный клапаны, а также скорость систолического потока через аортальный клапан.
Тканевый доплер (Tissue Doppler)
Этот режим похож на импульсно-волновой доплер, за исключением того, что используется для измерения скорости движения тканей (которая намного ниже, чем скорость потока крови). Применяется, в частности, для определения сократительной способности миокарда.
Помимо вышеперечисленных режимов, в последнее время появились дополнительные алгоритмы, позволяющие существенно улучшить качество и разрешение картинки. К таким алгоритмам относятся 3D и 4D режимы, Tissue Harmonic Imaging (THI), а также энергетический доплер (power doppler). Что ж, пару слов и об этих режимах:
3D режим – формирование объемных трехмерных изображений на основе полученных 2D картинок в разных плоскостях.
4D режим — это еще более сложна обработка все той же 2D информации, когда процессор формирует изображение из уже готовых 3D картинок. Второе название — “real-time 3D ultrasound” – лучше всего описывает суть этого режима, который позволяет наблюдать за изменением 3D картинки во времени. Фактически, это уже видео изображение.
Tissue Harmonic Imaging (THI) – технология, позволяющая существенно улучшить качество получаемого изображения (актуально у пациентов с повышенным весом).
Энергетический доплер (power doppler) обладает более высокой чувствительностью, по сравнению с цветным доплером и используется для исследования мелких сосудов. Не позволяет определить направление кровотока.
Ну что ж, об устройстве УЗИ аппарата и его принципах работы на сегодня все. Читайте также:
Как получить лицензию для частной медицинской практики?