Принципы и физика ультразвуковой визуализации
простые определения терминологии
Поглощение: Это основная причина затухания. Поглощение происходит, когда энергия ультразвука теряется в тканях в результате ее преобразования в тепло. Волны более высокой частоты подвергаются большему поглощению.
Акустический импеданс: свойство всех веществ, равное произведению плотности ткани и скорости звука. Сравнительно говоря, два вещества с большей разницей в акустическом импедансе производят более сильные «эхо» или отраженные волны, чем два аналогичных вещества. Структуры с разным акустическим сопротивлением (например, желчный пузырь и желчные камни) легче отличить друг от друга, чем две структуры с одинаковым акустическим сопротивлением (например, печень и почка).
Акустическая мощность: Скорость потока энергии через площадь поперечного сечения луча.
Акустические волны: это вибрации, которые возникают в результате быстрых прямых и обратных колебаний преобразователя и приводят к передаче ряда продольных волн. Преобразователь заставляет молекулы в среде, через которую он проходит, вибрировать в серии ритмических механических сжатий (области высокого давления) и разрежений (области низкого давления). Эти вибрации широко известны как акустические волны.
Акустическое окно: область пациента, которая улучшает передачу ультразвука и обеспечивает оптимальный доступ для сканирования к интересующей области. Чтобы улучшить качество изображения, передача ультразвука должна быть как можно более однородной и следует избегать областей, которые могут вызвать артефакты (например, ребра или газы в кишечнике).
АЛАРА: Аббревиатура от «настолько низкая, насколько это разумно достижимо», относится к принципу сведения к минимуму мощности и времени воздействия при получении необходимой клинической информации.
Амплитуда: Высота волны. Амплитуда и интенсивность звука представляют собой энергию, связанную со звуковой волной. Чем больше амплитуда или интенсивность, тем больше энергии и тем «громче» звук. Увеличение акустической мощности приведет к увеличению как интенсивности, так и амплитуды (см . рис. 2.1 ).
Рис. 2.1 Звук можно изобразить в виде синусоидальной волны.
Безэховый: области на изображении, не имеющие внутренних эхо, выглядят на изображении темными или черными.
Артефакты. В контексте ультразвука артефактами являются эхо-сигналы, отображаемое положение которых на изображении не соответствует фактическому положению отражателя в теле, или отображаемая яркость которых не указывает на отражающие или рассеивающие свойства области, из которой возникло эхо. Артефакты являются результатом следующих запрограммированных допущений машины:
1. Скорость распространения звука одинакова во всех типах тканей.
2. Ультразвуковой луч движется прямолинейно.
3. Время, необходимое после подачи импульса для возвращения эха к преобразователю от интерфейса, напрямую связано с расстоянием интерфейса от преобразователя.
4. Затухание звука в тканях равномерное.
5. Все эхо-сигналы, обнаруженные преобразователем, исходят от центральной оси луча.
6. Эхо, генерируемое на интерфейсе, возвращается непосредственно к датчику по прямой линии, не создавая никаких вторичных эхо-сигналов.
7. Интенсивность или сила отраженного эха пропорциональна плотности отражателя, генерирующего эхо.
Затухание: процесс, происходящий при прохождении звуковой волны через среду; он теряет энергию, в результате чего его интенсивность и амплитуда уменьшаются, и он затухает. Затухание пропорционально частоте звуковой волны и расстоянию, которое проходит волна. Чем выше частота и чем дальше распространяется волна, тем больше затухание. Затухание является результатом трех основных эффектов: поглощения, отражения и рассеяния.
Осевое разрешение: относится к отражателям, расположенным вдоль оси ультразвукового луча. Это разрешение зависит от длины импульса, которая равна произведению количества циклов в импульсе и длины волны. Если два отражателя по оси ультразвукового луча расположены на расстоянии, превышающем половину длины импульса, они будут выглядеть как два отдельных отражателя. Если расстояние между отражателями меньше длины импульса, они будут отображаться как один отражатель. Поскольку длина волны и частота обратно пропорциональны, осевое разрешение улучшается за счет увеличения частоты преобразователя. Таким образом, высокочастотные преобразователи имеют лучшее осевое разрешение.
Формирователь луча: обеспечивает последовательность задержек импульсов для отдельных элементов (элемент состоит из пьезоэлектрического кристалла и его электрического соединения) для фокусировки ультразвукового луча.
Кавитация. Колебания давления, создаваемые звуком, могут создавать пузырьки газа из воздуха, растворенного в тканевых жидкостях. Если колебания быстрые и интенсивные, они могут привести к расширению, сжатию или коллапсу пузырьков. Потенциал кавитации связан с амплитудами акустического давления, создаваемого ультразвуковой системой. Эти амплитуды указаны производителем в руководстве оператора. Некоторые сканирующие машины обеспечивают непрерывную оценку потенциального риска биоэффектов из-за кавитации путем расчета механического индекса (МИ) для данного датчика в определенном режиме во время сканирования. МИ обратно пропорционален квадратному корню из частоты; таким образом, с увеличением частоты ИМ уменьшается.
Контактное соединение: это может быть гель или жидкость. Для обеспечения отсутствия воздуха между датчиком и кожей необходим соответствующий связующий агент.
Корональная плоскость: делит тело на переднюю и заднюю части, перпендикулярно сагиттальной.
Глубина: диапазон глубины или регулятор глубины изменяют глубину тела пациента, отображаемую на изображении. Оптимальная глубина зависит от проникновения луча, которое определяется частотой преобразователя.
Диффузные отражатели: они также известны как рассеиватели и отражают звук во всех направлениях. Яркость не зависит от угла падающего луча.
Доплеровский сдвиг: это явление, которое возникает, когда звук отражается от движущегося объекта и частота отраженного звука изменяется. Изменение частоты известно как доплеровский сдвиг, названный в честь Кристиана Доплера, австрийского физика, описавшего его в 1842 году. Анализ доплеровского сдвига можно использовать для определения скорости и направления крови, проходящей через сердечно-сосудистую систему. Положительный доплеровский сдвиг означает, что принимаемая частота превышает передаваемую частоту и что эритроциты приближаются к датчику. Отрицательный доплеровский сдвиг означает, что принимаемая частота меньше передаваемой и что эритроциты удаляются от преобразователя.
Динамический диапазон: позволяет уменьшить диапазон эхосигналов или оттенков серого, отображаемых на экране. Это позволит удалить низкоуровневые эхо с дисплея и сделать изображение более контрастным.
Эхо: звуковая волна, которая отражается от поверхности раздела ткани под углом 90° и принимается ультразвуковым датчиком.
Эхогенность: это неоднозначный термин, и его следует избегать, если только он не используется в качестве сравнительного описания, например, повышенная эхогенность (что означает повышенную отражательную способность).
Поражение электрическим током. Повреждение корпуса датчика или нарушение изоляции кабеля датчика может привести к серьезному поражению электрическим током специалиста, проводящего УЗИ, или пациента. Этот биоэффект легко предотвратить путем регулярного обслуживания оборудования и частых проверок кабеля, датчика и электрических соединений.
Фокус: Чтобы улучшить разрешение на заданной глубине, датчик должен быть сфокусирован, чтобы сузить ширину луча. Это можно выполнить электронным способом, изменяя количество передающих и принимающих элементов и задерживая сигнал после его получения от некоторых элементов.
Частота: количество циклов акустических волн в секунду. Единица частоты — герц (Гц). Один цикл в секунду равен 1 Гц; 10 6 циклов в секунду равны 1 мегагерцу (МГц). Звуковой звук имеет частоту от 20 до 20 000 Гц, тогда как ультразвук имеет частоту более 20 000 Гц. Диагностическое ультразвуковое исследование имеет частоту 2–20 МГц.
Усиление: степень усиления возвращающегося эха называется усилением. Усиление эха или сигнала необходимо, поскольку возвращающиеся эхо слишком слабы, чтобы их можно было отобразить и визуализировать. Эхо можно усилить, увеличив интенсивность передаваемого сигнала (т. е. увеличив мощность) или увеличив усиление возвращающегося сигнала (т. е. увеличив усиление). Математически коэффициент усиления представляет собой отношение амплитуды входного сигнала в усилитель к амплитуде выходного сигнала усилителя. Усиление обычно выражается в децибелах (дБ). Если усиление увеличить слишком сильно, то собственный шум внутри системы также будет усилен, что приведет к ухудшению качества изображения.
Тепло: Поглощение представляет собой преобразование энергии ультразвука в тепло. Нагревание является одним из механизмов получения биологических эффектов ультразвуком и пропорционально мощности, приложенной к лучу или импульсу, и продолжительности воздействия. Режимы визуализации с использованием более частых импульсов (более высокая частота повторения импульсов (PRF)) доставляют пациенту больше энергии или мощности. Для указания мощности или акустической мощности сканеров используется ряд критериев. Эти критерии специфичны для системы и производителя, и их можно найти в руководстве оператора. Некоторое оборудование обеспечивает непрерывную оценку потенциального риска биоэффектов из-за нагрева путем расчета теплового индекса (TI) для данного датчика в определенном режиме во время сканирования. Для снижения биоэффектов необходимо минимизировать TI и время воздействия. Очевидно, что чем выше TI, тем меньше должно быть время воздействия.
Гиперэхогенность: области на изображении с большим количеством отраженных эхосигналов (более яркими), чем окружающие ткани.
Гипоэхогенность: области на изображении с меньшим количеством отраженных эхосигналов (более темные), чем окружающие ткани.
Характеристики изображения: Характеристики изображения определяются «отражателями» и «рассеивателями» ультразвукового луча. Степень, в которой область отражает, пропускает и рассеивает ультразвуковой луч, определяет, насколько ярко она отображается на изображении.
Слои согласования импеданса. Эти слои соединяются между кристаллами и пациентом, чтобы уменьшить несоответствие акустического импеданса между пациентом и датчиком. Большое несоответствие акустического импеданса между пациентом и датчиком может создать сильный артефакт реверберации.
Интенсивность: определяется как мощность на единицу площади и выражается в милливаттах на квадратный сантиметр.
Изоэхогенность: области на изображении, показывающие уровень отраженных эхо-сигналов, аналогичный уровню окружающих тканей.
Боковое разрешение: относится к отражателям, расположенным перпендикулярно оси ультразвукового луча. Разрешение связано с шириной луча; то есть, чем шире луч, тем хуже поперечное разрешение. Ультразвуковой луч является самым узким на своем фокусном расстоянии, и именно здесь поперечное разрешение будет оптимальным.
Общий контроль усиления: этот простой регулятор усиления увеличивает усиление эхосигналов со всех глубин ; эффект аналогичен увеличению мощности.
Пьезоэлектрический эффект: эффект, проявляемый некоторыми кристаллами с пьезоэлектрическими свойствами. Кристалл меняет форму и вибрирует, когда на него подается напряжение. Это основные компоненты ультразвуковых преобразователей. Наиболее распространенным типом пьезоэлектрического материала, используемого в ультразвуковых преобразователях, является цирконат-титанат свинца (ЦТС) . Эти специализированные кристаллы позволяют преобразователю преобразовывать электрическую энергию в акустическую во время передачи и обращать этот процесс (то есть преобразовывать акустическую энергию в электрическую) во время приема. Если пьезоэлектрические материалы нагревают, они деполяризуются и теряют свои пьезоэлектрические свойства. Поэтому ультразвуковые датчики нельзя подвергать термической стерилизации ! Кроме того, они чувствительны к механическим ударам, и их нельзя ронять !
Мощность: Увеличение выходной мощности датчика приводит к образованию ультразвуковых импульсов высокой интенсивности. Это увеличивает амплитуду электрического сигнала, подаваемого на преобразователь, в результате чего отраженные эхо-сигналы от всех отражателей кажутся ярче. Недостатком увеличения мощности является увеличение акустического воздействия на пациента.
Предварительные настройки: после выбора датчика и типа сканирования (то есть брюшной полости, сосудов, акушерства и т. д.) систему можно запрограммировать на автоматический выбор определенных элементов управления, таких как регуляторы мощности или усиления. Это может сэкономить время на настройку оборудования для каждого отдельного пациента; однако часто бывают случаи, когда предустановки не подходят, и поэтому оператору необходимо понимать элементы управления, чтобы оптимизировать качество изображения.
Скорость распространения: Скорость, с которой звук движется через среду, равна произведению длины волны и частоты. Как правило, скорость зависит от плотности ткани и минимальна в газах, выше в жидкостях и выше в твердых телах. Средняя скорость звука в мягких тканях составляет 1540 м/с.
Принцип импульсного эха: это относится к процессу, который происходит, когда ультразвуковые волны сталкиваются с границей раздела между двумя тканями с разными акустическими импедансами. Большая часть волн передается в ткани, а часть луча отражается обратно к датчику. Электрический сигнал, генерируемый этими волнами, пропорционален силе возвращающейся волны. Сила возвращающейся волны пропорциональна разнице акустического импеданса между двумя тканями на границе раздела. Ультразвуковое изображение формируется только теми волнами, которые отражаются обратно и принимаются датчиком.
Частота повторения импульсов (PRF): PRF контролирует скорость, с которой генерируются и передаются импульсы звуковых волн.
Передатчик импульсов: подает электрические сигналы для возбуждения пьезоэлектрических кристаллов. Пульсирующие сигналы подаются со скоростью, известной как частота повторения импульсов (PRF) . PRF варьируется в пределах 500–12 000/с в зависимости от режима работы и других настроек машины. Например, для получения изображений в оттенках серого в реальном времени требуется ЧПИ 2000–4000/с, тогда как для импульсного допплера требуется ЧПИ 4000–12 000/с.
Отражение: это происходит, когда две большие структуры со значительно отличающимся акустическим импедансом (например, граница органа) образуют границу раздела, граница становится отражателем, и часть волновой энергии отражается обратно к преобразователю. Оставшаяся в волне энергия (не отраженная, а прошедшая за границу раздела) уменьшается. Отражение происходит, когда звуковая волна ударяется о предмет, размер которого превышает длину волны.
Преломление: когда луч сталкивается с границей раздела между двумя разными тканями под косым углом, луч будет отклоняться при прохождении через ткань. Это известно как рефракция. Если угол падения 90°, преломления не произойдет.
Разрешение. Способность ультразвуковой системы различать два близко расположенных отражателя как отдельные структуры называется разрешением.
Сагиттальная (продольная) плоскость: делит тело на правую и левую части, параллельно длинной оси.
Рассеяние. Это происходит, когда ультразвуковая волна попадает на границу или поверхность раздела между двумя небольшими структурами, и волна рассеивается в разных направлениях. Рассеяние происходит, когда звуковая волна попадает на объект, длина которого равна или меньше длины волны. Таким образом, рассеяние напрямую связано с частотой волны.
Звук: энергия, передаваемая в виде механической продольной волны, для распространения которой требуется среда (см. рис. 2.1 ).
Пространственное разрешение: минимальное расстояние между двумя соседними объектами, которое может обнаружить система визуализации.
Зеркальные отражатели. Это сильные отражатели, поэтому яркость эхо-сигналов на изображении зависит от угла падающего луча и поверхности отражателя.
Временное разрешение: способность точно отображать движение, происходящее в поле зрения во время визуализации в реальном времени.
Текстура: при сканировании в B-режиме амплитуды возвращающихся сигналов отображаются в серой шкале от белого (сильное эхо) до черного (эхо не воспринимается) и промежуточных оттенков серого. Расположение отраженных эхо-сигналов в виде «точек» на изображении называется текстурой.
Компенсация усиления по времени (TGC) или компенсация усиления по глубине (DGC): Это необходимо для компенсации того факта, что сигналы, возвращающиеся от более глубоких отражателей, будут слабее, чем сигналы, возвращающиеся от более мелких отражателей, из-за затухания. Увеличение TGC усиливает сигналы больше от более глубоких структур (то есть тех, которые относительно более задержаны – следовательно, выигрыш во времени ), чем от неглубоких структур (то есть менее задержанных).
Трансаксиальная (поперечная) плоскость: делит тело на верхнюю и нижнюю части, перпендикулярно длинной оси.
Преобразователь: Устройство, преобразующее одну форму энергии в другую. Ультразвуковой преобразователь преобразует электрическую энергию в звуковую и наоборот. Он содержит пьезоэлектрические кристаллы, которые передают ультразвуковой луч и принимают отраженное эхо.
Материал подложки преобразователя: этот материал помещается за кристаллами, чтобы гасить исходящие от них вибрации и сокращать длительность импульса.
Корпус датчика: Этот корпус изготовлен из прочного металла и пластика и защищает датчик от повреждений.
Ориентация датчика: Соглашение определяет ориентацию датчика относительно пациента. В результате получается дисплей, на котором голова пациента отображается слева от экрана во время сагиттального (или продольного) сканирования, а правая сторона пациента — слева от экрана во время трансаксиального (или поперечного) сканирования. Поэтому изображения всегда просматриваются как бы с правой стороны пациента при сагиттальном сканировании и как будто со стороны ног пациента при трансаксиальном сканировании. Датчики имеют встроенный индикатор, который необходимо правильно совместить с соответствующим индикатором на мониторе, чтобы обеспечить правильное отображение плоскости сканирования.
Ультразвуковой луч: состоит из ближней зоны или зоны Френеля , где луч имеет цилиндрическую форму (область между преобразователем и фокусом); фокальная зона (область, где диаметр звукового луча минимальный и качество изображения наилучшее); и дальняя зона или зона Фраунгофера , где луч расходится (область, выходящая за пределы фокуса).
Длина волны: длина одного цикла, обычно измеряемая в мм. Чем выше частота, тем короче длина волны. И наоборот, чем ниже частота, тем длиннее длина волны (см. рис. 2.1 ).