Принципы ультразвука и прикладной физики ультразвука актуальны для продвинутых сонографистов
Рис. 5.1
Когда звуковая энергия проходит через среду, она вызывает сжатие и разрежение молекул, составляющих среду, как показано на линейном рисунке. Математически это выражается в виде синусоидальной волны
Скорость звука равна частоте, умноженной на длину волны (v = fλ) (рис. 5.2). В отличие от световых волн, скорость распространения звуковых волн является свойством среды. Воздух, который имеет относительно низкую плотность, имеет относительно низкую скорость звука. Вода и различные органы и мягкие ткани тела, которые состоят в основном из воды, имеют более высокие скорости звука. Очень плотные твердые вещества, такие как кость, имеют гораздо более высокую скорость звука. Ультразвуковые аппараты для медицинской визуализации калибруются с учетом скорости распространения звуковых волн в мягких тканях. Звуковые волны, попадающие в воздух (например, в трахею) или кость, не будут генерировать интерпретируемое эхо-излучение из-за большой разницы во времени эхо-излучения (таблица 5.1).
Рис. 5.2
Скорость (V, или часто обозначается как c) = частота (в циклах в секунду) × длина волны (λ, расстояние / цикл). При заданной скорости (определяемой средой) более высокая частота сопровождается более короткой длиной волны . Верхняя синусоидальная волна представляет звук с большей длиной волны и более низкой частотой по сравнению с нижней синусоидальной волной, которая отображает волну более высокой частоты с более короткой длиной волны
Таблица 5.1
Скорость звука в обычных материалах, м / с
Воздух | 340 |
Вода | 1500 |
Жирa | 1470 |
Печеньa | 1540 |
Мышцаa | 1500–1600 |
Костьa | 1900–3700 |
Скорость в воздухе или воде является приблизительной и изменяется в зависимости от температуры и других факторов
aЗначения, приближенные по [4]
Мощность звука — это количество энергии, воздействующей на точку за единицу времени, и измеряется в ваттах. Интенсивность звука является мерой количества энергии, передаваемой через данную область, и выражается в ваттах на метр в квадрате. Порог слышимости человека составляет приблизительно 1 × 10-12 Вт / м2 и определяется как 0 децибел (дБ). Шкала децибел логарифмическая (dB = 10log (x)). Следовательно, удвоение интенсивности звука равно изменению дБ примерно на 3 (10log (2)). Интенсивность звука связана с амплитудой давления уравнением:
где p = амплитуда давления, ρ (rho) = плотность среды и c = скорость звука. Таким образом, удвоение амплитуды давления приведет к увеличению интенсивности в четыре раза.
Интенсивность звука уменьшается с удалением от источника в соответствии с законом, обратным квадрату . По мере увеличения расстояния от источника интенсивность звука уменьшается в квадрате расстояния. Следовательно, удвоение расстояния уменьшит интенсивность звука в 4 раза (рис. 5.3).
Рис. 5.3
Закон обратных квадратов . Интенсивность звука экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от источника звука. Интенсивность звука (ось y) экспоненциально уменьшается с удалением от источника (ось x). При увеличении расстояния в 2 раза интенсивность звука уменьшается в 4 раза
В медицинском ультразвуковом исследовании мощность звука является фундаментальным свойством звуковой волны, передаваемой ультразвуковым зондом. Увеличение мощности звука аналогично увеличению громкости стереосистемы, и его можно регулировать на ультразвуковом аппарате. Несмотря на то, что визуализирующий ультразвук работает в безопасных пределах выходной мощности, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать ненужной подачи энергии. При диагностическом ультразвуковом исследовании не сообщалось о термических повреждениях из-за теплопередачи, хотя теоретическая возможность этого остается [1). При практическом применении при ультразвуковом исследовании шеи мощность звука редко изменяется. Если невозможно получить четкое изображение глубоких структур, увеличение усиления или уменьшение частоты выходного сигнала зонда обычно улучшает изображение [см. Ниже).
На распространение звука в значительной степени влияют определенные характеристики среды или сред, через которые он проходит. Акустический импеданс является одним из них и равен плотности, умноженной на скорость распространения (Z = pv, где Z = импеданс, ρ (rho) = плотность и v = скорость распространения.). Различия в акустическом импедансе объясняют преломление и отражение на границе раздела двух сред (см. Ниже). Еще одним свойством среды, влияющим на распространение звука, является ее вязкость, которая влияет на ослабление звука (уменьшение звуковой энергии). Затухание зависит от вязкости среды и квадрата частоты звуковой волны и описывается математически в законе затухания звука Стокса:
где η (eta) — коэффициент динамической вязкости жидкости, ω (omega) — частота звука, ρ (rho) — плотность жидкости и V — скорость звука в среде [3]. Закон Стокса является чрезмерным упрощением в случае медицинского ультразвука, но более полное описание выходит за рамки данного текста. Обратите внимание, что ослабление звука (α) увеличивается экспоненциально с увеличением частоты. Этот факт имеет важное значение для понимания ограничений высокочастотных ультразвуковых зондов для оценки структур глубоко внутри тела. Значения ослабления [α (альфа)] были определены эмпирически для ряда тканей и обычно выражаются в дБ / см [4].
Влияние частоты на выбор медицинских ультразвуковых зондов можно увидеть на простом примере. Расчет ослабления на заданном расстоянии можно выполнить с помощью этого простого уравнения:
Используя закон Стокса, мы можем видеть, что удвоение частоты (ω (омега)) увеличит α (альфа) в 4 раза. В приведенном выше уравнении давайте сравним эффекты удвоения частоты зондирования с 5 до 10 МГц. Если ослабление равно α для зонда с частотой 5 МГц, то ослабление для зонда с частотой 10 МГц будет равно 4α (альфа). Другими словами, на любом заданном расстоянии от зонда ослабление будет в четыре раза больше при удвоении частоты зонда.
Подводя итог, мы видим, что с увеличением расстояния от источника звука интенсивность звука уменьшается по закону, обратному квадрату . Кроме того, ослабление вызывает экспоненциальную потерю звуковой энергии, причем потери происходят быстрее на более высоких частотах. Таким образом, звук, поражающий объекты, находящиеся относительно далеко от источника, имеет гораздо меньшую интенсивность, чем звук, поражающий объекты, расположенные близко к источнику. Следовательно, эхо-сигналы, исходящие от этих удаленных источников, соответственно слабее.
Эхо-сигналы являются результатом возвращения отраженной звуковой энергии к зонду и должны быть обнаружены для получения подробной информации об объекте. Передача звуковых волн также необходима для проникновения в ткани, расположенные глубже в организме. Как отмечалось выше, различия в акустическом импедансе между средами обусловливают границы раздела, которые как отражают, так и преломляют звуковые волны в соответствии с законом Снелла (рис. 5.4). Когда звук проходит через мягкие ткани с относительно схожим акустическим воздействием, такие как подкожный жир и мышцы, часть эхо-сигналов отражается обратно к зонду, но большая часть звука передается глубже в тело, позволяя визуализировать более глубокие ткани, пока, в конце концов, звуковой луч не ослабнет до такой степени, что эхо-сигналы не будут слышны зонду. Если звук проходит через акустически разнородные ткани, такие как воздух и подкожный жир, почти весь луч будет отражен обратно на границе раздела и очень мало будет передано. По этой причине при проведении медицинского ультразвука на поверхность кожи наносится гель акустической связи, вещество с акустическими свойствами, сходными с водой. Высокоинтенсивные эхо-сигналы (из-за интенсивного отражения), которые кажутся ярко-белыми на экране визуализации, называются “эхогенными”, тогда как те, которые плохо отражают, кажутся более темными. Отражатели в целом можно описать как диффузные (отражающие эхо-сигналы во многих различных направлениях, например, велосипедный отражатель) или зеркальные (отражающие эхо-сигналы преимущественно в одном направлении, например, зеркало) [2]. Большинство тканей являются диффузными отражателями.
Рис. 5.4
Закон Снелла . Когда звуковая волна достигает границы раздела между тканями с различным акустическим сопротивлением, одни звуковые волны преломляются, а другие отражаются. Под критическим углом будут отражены все волны.
5.2 Принцип работы медицинских ультразвуковых устройств
Использование ультразвука в медицинской визуализации исследовалось с 1940-х годов. В 1950-х и 1960-х годах был достигнут ряд достижений, позволивших получить первую медицинскую визуализацию. В 1972 году была разработана визуализация в оттенках серого, а в 1970-х ультразвуковая визуализация стала широко доступной в медицинских центрах. По мере совершенствования ультразвуковых технологий и вычислительной мощности ультразвуковые установки стали меньше, быстрее и дешевле, что позволило распространить их в больницах и клиниках по всему миру [5].
Медицинские ультразвуковые устройства работают за счет пьезоэлектрического эффекта . Когда определенные кристаллы помещаются в электромагнитное поле, молекулярные диполи выравниваются и изменяют физическую форму кристалла, позволяя преобразовывать электромагнитное поле в механическую энергию. Этот процесс также работает в обратном направлении, при котором механическая энергия, вызванная ударом звука о пьезоэлектрический кристалл, создает электрический ток (рис. 5.5). Кварц — это природный пьезоэлектрический кристалл, но в медицинских ультразвуковых приборах чаще всего используются синтетические керамические соединения, такие как цирконат-титанат свинца.
Рис. 5.5
Пьезоэлектрический эффект . Когда пьезокристалл помещают в электромагнитное поле, молекулярные диполи выравниваются, вызывая физическое изменение формы кристалла. Переменный электрический ток вызывает искажения формы кристалла, тем самым преобразуя электрическую энергию в механическую и наоборот. От Р. Соффермана и А. Ахуджи, УЗИ щитовидной и паращитовидных желез. Springer 2012
Современное ультразвуковое оборудование состоит из пьезоэлектрического элемента, который разделен на полоски, каждая из которых уже волоса и каждая прикреплена к электродам. Пьезоэлектрические элементы размещены внутри портативного устройства, называемого зондом . Зонд одновременно излучает звук и улавливает отраженные звуковые волны, преобразуя отраженный звук в электрический ток, который анализируется компьютером для создания изображения. Термин “преобразователь ” относится к способности устройства преобразовывать одну форму энергии в другую и технически относится к пьезоэлектрическому элементу, но обычно используется для обозначения всего зонда. Ультразвуковые зонды изготавливаются различных размеров и форм в соответствии с анатомическими целями, для которых они предназначены. Каждый зонд оснащен внешней акустической линзой, которая помогает сфокусировать излучаемый звук на определенном участке для повышения разрешения изображения. Для ультразвукового исследования головы и шеи чаще всего используется линейный матричный преобразователь. Когда ультразвук используется для визуализации, пьезоэлектрический элемент тратит большую часть своего времени на прослушивание эхо-сигналов, а не на передачу звуковой энергии. Современные преобразователи с фазированной антенной решеткой состоят из множества независимых элементов, которые сгруппированы по секторам. Эти сектора расположены таким образом, что они срабатывают независимо по фазам (рис. 5.6). Фазирование нескольких секторов позволяет фокусировать и направлять луч. Поскольку каждый сектор генерирует звуковую волну, сложение и вычитание энергии волн по мере их сближения приводит к общему фронту волны. С помощью электронного управления временем срабатывания сектора луч можно направлять и фокусировать [6]. Электронное управление этими фазированными решетками позволяет инженеру разрабатывать преобразователи, которые обеспечивают лучшее общее качество изображения. (Для читателей, интересующихся техническими и математическими аспектами медицинских ультразвуковых устройств, см. [7].)
Рис. 5.6
Графическое изображение матричного преобразователя. Преобразователь состоит из множества маленьких кристаллов с независимым управлением. Возбуждением каждого кристалла можно управлять электронным способом “поэтапно”, что позволяет контролировать форму луча.
После отправки звукового импульса преобразователь регистрирует результирующее эхо-излучение. Исходя из времени, необходимого для возвращения эхо-сигнала, компьютер отобразит это эхо-излучение на экране на расчетном расстоянии от зонда. Чем громче эхо-сигнал, тем ярче точка на экране. Следовательно, ярко-белые структуры называются “эхогенными”, в то время как структуры, которые не генерируют эхо-сигналов, кажутся черными и называются “безэховыми”. Основываясь на результатах тысяч импульсов и эхо-сигналов, компьютер способен генерировать двумерное изображение на экране. Визуализация в режиме “М” (M = движение) представляет собой одномерное изображение, получаемое с течением времени. Оно используется для обнаружения нарушений движений, чаще всего в кардиологических приложениях. Режим “B” (B = яркость) — это знакомое 2D-изображение в оттенках серого, используемое при ультразвуковом исследовании головы и шеи.
Как описано ранее, эхо-сигналы, возвращающиеся от удаленных структур, будут иметь заметно меньшую силу по сравнению с эхо-сигналами от структур, расположенных ближе к зонду, из-за закона обратных квадратов, а также экспоненциального уменьшения звуковой энергии из-за ослабления. Чтобы исправить это, компьютер вычисляет время, необходимое для возвращения эхо-сигнала, и использует его для правильной регулировки яркости объекта на изображении; этот процесс называется компенсацией временного усиления .
Разрешение неофициально используется для описания четкости изображения. Более формальным определением является способность устройства визуализации отображать две отдельные точки, не объединяя их. Что касается медицинского ультразвука, то существует два типа разрешения: осевое или продольное разрешение и поперечное разрешение. Осевое разрешение позволяет различать объекты, параллельные звуковому лучу или расположенные на одной линии с ним. Поперечное разрешение позволяет различать объекты, перпендикулярные лучу. Осевое разрешение зависит от длительности импульса, которая относится к промежутку времени, в течение которого преобразователь генерирует звук. Высокочастотные звуковые волны требуют меньшей длительности импульса (например, зонд с частотой 5 МГц генерирует 5 циклов за 1 мкс, тогда как зонд с частотой 10 МГц генерирует 10 циклов за тот же промежуток времени). Если разница во времени между эхо-сигналами, возвращающимися от двух разных объектов, расположенных параллельно, больше длительности импульса, объекты будут разрешены как отдельные структуры (рис. 5.7). По мере того, как разница во времени между возвращающимися эхо-сигналами приближается к длительности импульса, объекты будут сливаться воедино. Боковое разрешение сильно зависит от ширины луча. Высокочастотные зонды имеют меньшую ширину луча и обеспечивают более высокое разрешение. Объекты лучше всего видны при изображении в ближнем поле между зондом и оптимальной фокальной зоной, называемой зоной Френеля. Область , более удаленная от фокальной зоны , где расходятся лучи , называется зоной Фраунгофера . Ультразвуковые лучи можно фокусировать на разной глубине, а положение оптимального фокуса можно контролировать и оптимизировать, чтобы лучше видеть желаемую структуру (рис. 5.8). Современные аппараты обычно используют более одной фокальной точки или ряд фокальных точек.
Рис. 5.7
Влияние частоты на разрешение. Для более высоких звуковых частот требуется меньшая длительность импульса, чем для более длинных частот. По мере сокращения длительности импульса становятся заметными эхо-сигналы от близко расположенных объектов вдоль оси луча. Это приводит к лучшему разрешению по оси. Более низкие частоты при большей длительности импульса приводят к слиянию двух эхо-сигналов. От Р. Соффермана и А. Ахуджи, УЗИ щитовидной и паращитовидных желез. Springer 2012
Рис. 5.8
Узкая ширина луча обеспечивает лучшее боковое разрешение. Расположенные рядом объекты в фокальной зоне, где ширина луча самая узкая, видны на мониторе как отдельные объекты, тогда как объекты, находящиеся на одинаковом расстоянии друг от друга за пределами фокальной зоны, размыты вместе. От Р. Соффермана и А. Ахуджи, УЗИ щитовидной и паращитовидных желез. Springer 2012
Краткое изложение предыдущих параграфов подводит нас к очевидному затруднительному положению. Ультразвуковые волны с более высоким разрешением обеспечивают лучшее разрешение в осевом направлении, но меньшее проникновение из-за эффекта ослабления. Низкочастотные волны имеют меньшее затухание и, следовательно, лучшее проникновение в ткани, но, по сути, более низкое разрешение. В медицинском ультразвуковом исследовании более высокие частоты выбираются для поверхностных структур, таких как структуры шеи, груди и поверхностных мягких тканей. Более низкие частоты выбираются для глубоких структур, таких как УЗИ брюшной полости. Типичные частоты для УЗИ шеи находятся в диапазоне 7,5-18 МГц. При УЗИ брюшной полости могут использоваться частоты до 3,5-5 МГц.
5.3 Физика распространенных артефактов
Артефакты обычно наблюдаются при ультразвуковой визуализации и являются следствием физических свойств звуковых волн. Некоторые артефакты могут быть полезны при определении типа среды, через которую прошел звук, и, вместо того, чтобы быть помехой, могут предоставить важную диагностическую информацию.
Усиление происходит глубоко в области с низким отражением звука. Если звук проходит через область с низким отражением, вглубь передается больше звуковой энергии и с меньшим, чем ожидалось, ослаблением на пройденном расстоянии. Усиление рассматривается как область необычной яркости и происходит глубоко в заполненных жидкостью структурах, таких как кисты или крупные кровеносные сосуды, но также может происходить, когда звук проходит через относительно однородную твердую структуру, такую как хрящ (рис. 5.9).
Рис. 5.9
Увеличение наблюдается в глубине гипоэхогенного узла щитовидной железы с кистозным компонентом. Область, расположенная глубже очага поражения, кажется более яркой белизной (стрелка) по сравнению с прилегающими тканями из-за более интенсивного эхо-сигнала. Это происходит из-за беспрепятственной доставки звуковой энергии к ткани
Затенение происходит из-за объекта с высокой отражающей способностью, который отражает практически всю звуковую энергию, так что звук не передается тканям, расположенным глубоко в структуре. Изображение кажется глубоким черным из-за объекта с высокой отражающей способностью. Распространенными источниками затенения являются плотные кальцификации, кости, камни в почках или желчном пузыре или на границе раздела с воздухом (рис. 5.10).
Рис. 5.10
Панель (a) показывает кальциноз (отмечен штангенциркулем) в щитовидной железе. Обратите внимание на затенение, простирающееся вглубь кальциноза. На панели (b) показана плотно кальцинированная капсула узелкового образования щитовидной железы. Диаметр узелкового образования может быть не поддающимся измерению из-за недостаточной звуковой энергии, проникающей за пределы кальцификации. Затенение также препятствует визуализации внутреннего состава узелка
Реверберация — это распространенный артефакт, вызываемый звуковыми волнами, отражающимися взад и вперед между двумя параллельными слоями с высокой отражающей способностью. Зонд обнаружит увеличенное время прохождения возвращающегося эхо-сигнала и предположит большее расстояние прохождения. Это видно как восходящая серия эхо-сигналов. Это можно увидеть в просвете кровеносных сосудов или кист (рис. 5.11). Это также можно увидеть в сочетании с гладким плотным отражателем, таким как игла.
Рис. 5.11
(a, b) Артефакт реверберации, наблюдаемый в просвете сонной артерии. Обратите внимание на лестничный рисунок из-за резонансных отражений (Стрелка)
Как упоминалось ранее, когда звук попадает на объект или среду с различными акустическими свойствами, часть луча отражается, а часть передается в объект или среду. Звук отражается обратно под тем же углом, под которым звук попадает на объект (рис. 5.4). Когда звуковая энергия проникает в среду с различным импедансом, проходящая звуковая волна изгибается (преломляется) в зависимости от угла падения. Звуковые волны, сталкиваясь со стенкой кистозы или изогнутой поверхностью под тангенциальным углом, сильно преломляются, что приводит к потере энергии и образованию тени, называемой краевым артефактом . Краевой эффект может мешать визуализации объектов, в частности, расположенных кзади от края кровеносных сосудов (рис. 5.12).
Рис. 5.12
Краевой эффект проявляется в виде двух темных полос, отходящих кзади от края сонной артерии (белая стрелка). Это происходит из-за отражения звуковых волн в соответствии с законом Снелла. На том же рисунке можно заметить, что ультразвуковой луч фокусируется по интенсивности кзади от сонной артерии и имеет вид перевернутого конуса (черная стрелка на увеличенном изображении) из-за преломления звуковых волн, аналогичного линзе. Также заметно улучшение
Хотя отражение и не является артефактом в строгом смысле этого слова, иногда оно может вызывать трудности. Зеркальный отражатель, такой как игла, если его повернуть под таким углом, чтобы звуковая энергия отражалась от зонда, может исчезнуть из поля зрения (рис. 5.13). В продаже имеются некоторые специализированные иглы, предназначенные для диффузного отражения звука и улучшения видимости.
Рис. 5.13
Отражение из-за зеркального отражателя , такого как игла , может привести к отражению большей части звуковой энергии от зонда , когда игла находится под большим углом по отношению к датчику . В этом случае даже объект с плотным отражением может быть не виден
Артефакт хвоста кометы — это частный случай артефакта реверберации. Он вызван реверберацией, возникающей между передней и задней сторонами небольшого яркого отражателя. Это обычно наблюдается в щитовидной железе из-за эхогенных очагов внутри коллоида. При каждом отражении некоторая звуковая энергия возвращается обратно к зонду в виде эха. Временная задержка из-за реверберации вызывает уменьшающееся эхо треугольной конусообразной формы, которое выглядит как хвост кометы (рис. 5.14).
Рис. 5.14
Артефакт хвоста кометы . Обратите внимание на уменьшающийся хвост эхо-сигналов, отходящий кзади от объекта. Это лучше всего видно в увеличенном виде (вставка, стрелка). Это частный случай артефакта реверберации и обычно указывает на доброкачественное поражение.
Артефакт «Кольцо вниз» — это уникальный артефакт, вызванный резонансом. Это происходит, когда жидкость захватывается тетраэдром пузырьков воздуха. Этот захват позволяет развиться резонансу. Артефакт виден как яркое продолжительное и непрерывное эхо, проявляющееся в виде длинной полосы коротких линий аналогичного размера, отходящих кзади от области резонанса, обычно длиннее артефакта хвоста кометы. Этот дефект относительно редко встречается в щитовидной и паращитовидных железах. Иногда его можно увидеть в глотке или пищеводе, где смешаны пузырьки воздуха и жидкости.