Сьогодні я хотів би розповісти про пристрій і принципи роботи сучасного УЗД апарату. Ультразвукова діагностика давно і міцно увійшла в наше життя, і сьогодні це одна з найбільш затребуваних процедур як в державних клініках, так і на ринку медичних послуг в цілому.
В одному з наступних постів я розповім про те, як правильно вибрати УЗД апарат для приватної практики. Але перед цим я хотів би розповісти про те, як влаштований УЗД апарат, і як він працює.
Пристрій
Отже, стандартний апарат ультразвукової діагностики (або ультразвуковий сканер) складається з наступних частин:
- Ультразвуковий датчик - детектор (перетворювач), який отримує і передає звукові хвилі
- Центральний процесор (CPU) - комп'ютер, який провадить усі розрахунки і містить електричні джерела живлення
- Імпульсний датчик управління - змінює амплітуду, частоту і тривалість імпульсів, випромінюваних перетворювачем
- Дисплей - відображає зображення, сформоване процесором на основі ультразвукових даних
- Клавіатура і курсор - служать для введення та обробки даних
- Дисковий сховище пристрої (жорсткий диск, або CD / DVD) - служить для зберігання отриманих зображень
- Принтер - використовується для роздруківки зображень
Ультразвуковий датчик є основною частиною будь-якого УЗД апарату. Він генерує і сприймає звукові хвилі, використовуючи принцип п'єзоелектричного ефекту, який був відкритий П'єром і Жаком Кюрі в далекому 1880 році. Датчик перетворювача містить один або кілька кварцових кристалів, які також називаються п'єзоелектричними кристалами. Під дією електричного струму ці кристали швидко змінюють свою форму і починають вібрувати, що призводить до виникнення і розповсюдження назовні звукової хвилі. І навпаки, коли звукова хвиля досягає кварцові кристали вони здатні випускати електричний струм. Таким чином, одні й ті ж кристали використовуються для прийому і передачі звукових хвиль. Також датчик має звуковбирний шар, які фільтрує звукові хвилі, і акустичну лінзу, яка дозволяє сфокусуватися на необхідної хвилі.
Ультразвукові датчики бувають найрізноманітніші за своєю формою і розміром. Форма датчика визначає його поле зору, а частота випромінюваних звукових хвиль визначає глибину їх проникнення і дозвіл одержуваного зображення.
Як це все працює?
- Ультразвуковий апарат передає високочастотні (від 1 до 18 МГц) звукові імпульси в тіло людини за допомогою ультразвукового датчика.
- Звукові хвилі поширюються по тему і досягають кордонів між тканинами з різними акустичним опором (наприклад, між рідиною і м'якою тканиною, м'якою тканиною і кісткою). При цьому, частина звукових хвиль буде відображена назад до перетворювача, а інша частина - продовжить свій хід в новому середовищі. Відбиті хвилі сприймаються датчиком.
- Дані від ультразвукового датчика передаються в центральний процесор, який є «головним мозком» апарату і служить для обробки отриманих даних, формування зображення і його виведення на монітор. Процесор обчислює відстань від датчика до тканини або органу використовуючи відому швидкість поширення звуку в тканини і час, протягом якого до датчика повернувся відбитий луна-сигнал (як правило - близько мільйонних часток секунди).
Ультразвуковий датчик передає і приймає мільйони імпульсів і луна-сигналів кожну секунду. Елементи управління датчиком дозволяють лікарю встановлювати і змінювати частоту і тривалість ультразвукового імпульсу, а також режим сканування пристрою.
Режими роботи апарату УЗД
Сучасні УЗД-апарати здатні працювати в декількох режимах, основними з яких є наступні:
A-режим (А-mode, від слова "amplitude")
Амплітуда відбитого ультразвуку відображається на екрані осцилографа. На даний момент цей режим має в основному історичне значення і використовується переважно в офтальмології. Природно, працювати в цьому режимі здатний будь-який сучасний УЗД апарат.
M-режим (від слова «motion»)
Режим дозволяє отримувати зображення структур серця в русі. Завдяки високій частоті дискретизації, М-режим є надзвичайно цінним для точної оцінки швидких рухів.
B-режим (від слова «brightness», в ехокардіографії цей режим називається 2D)
Найбільш інформативний і інтуїтивно зрозумілий режим в сучасному УЗД апараті. Амплітуда відбитого ультразвукового сигналу перетворюється в двомірне півтонування. Більшість апаратів використовують 256 відтінків сірого кольору, що дозволяє візуалізувати навіть дуже невеликі зміни в ехогенності.
Швидкість оновлення картинки на екрані в В-режимі зазвичай становить не менше 20 кадрів в хвилину, що створює ілюзію руху.
2D-режим застосовується для вимірювання камер серця, оцінки структури і функції клапанів, глобальної та сегментарної систолічної функції шлуночків.
Цей режим візуалізації заснований на ефекті Доплера, тобто. зміна частоти (доплеровській зрушення), викликаних рухом джерела звуку щодо приймача. У ультразвукової діагностики використовується зміна частоти відбитого сигналу від еритроцитів. Частота відбитої хвилі ультразвуку збільшується або зменшується відповідно до напряму потоку крові по відношенню до датчика.
Цветнойдоплер (Colour flow Doppler imaging, CFI)
Режим дозволяє локалізувати кровоносні судини (або окремі потоки крові, наприклад всередині камер серця) з визначенням напряму і швидкості кровотоку. Потоки крові, що йдуть у напрямку до датчика, зображуються червоним кольором. Ті, що йдуть від датчики - синім. Потоки, що йдуть перпендикулярно площині дослідження, будуть пофарбовані в чорний колір. Зони турбулентного кровотоку - у зелений чи білий. Втім, більшість апаратів дозволяє налаштовувати кольори того чи іншого потоку на свій розсуд.
Імпульсно-хвильової доплер (Pulsed Wave Doppler, PW)
Режим дозволяє оцінити характер кровотоку на певній ділянці судини і візуалізувати області ламінарного і турбулентного кровотоку. У порівнянні з кольоровим доплером, дозволяє точніше визначити швидкість і напрямок кровотоку.
Основним недоліком методу є неточне визначення потоків з високою швидкістю руху, що накладає певні обмеження на його застосування.
Постійно-хвильовий доплер (Continuous Wave Doppler, CWD)
В цьому режимі частина одна частина датчика безперервно передає, а друга частина - безперервно приймає допплерівський сигнал вздовж однієї лінії на 2D зображенні. На відміну від імпульсно-хвильового доплера, цей метод точно визначає потоки з високою швидкістю. Недолік методу - нездатність точної локалізації сигналу.
CWD використовується для вимірювання швидкості потоків регургітації через тристулковий, легеневий, мітральний і аортальний клапани, а також швидкість систолічного потоку через аортальний клапан.
Тканинний доплер (Tissue Doppler)
Цей режим схожий на імпульсно-хвильової доплер, за винятком того, що використовується для вимірювання швидкості руху тканин (яка набагато нижче, ніж швидкість потоку крові). Застосовується, зокрема, для визначення скорочувальної здатності міокарда.
Крім перерахованих вище режимів, останнім часом з'явилися додаткові алгоритми, що дозволяють істотно поліпшити якість і дозвіл картинки. До таких алгоритмам відносяться 3D і 4D режими, Tissue Harmonic Imaging (THI), а також енергетичний доплер (power doppler). Що ж, пару слів і про ці режимах:
3Dрежім - формування об'ємних тривимірних зображень на основі отриманих 2D картинок в різних площинах.
Tissue Harmonic Imaging (THI) - технологія, що дозволяє істотно поліпшити якість одержуваного зображення (актуально у пацієнтів з підвищеною вагою).
Енергетичний доплер (power doppler) має більш високу чутливість, у порівнянні з кольоровим доплером та використовується для дослідження дрібних судин. Не дозволяє визначити напрямок кровотоку.