Ультразвуковая диагностика

Ультразвуковые терапевтические и хирургические установки давно уже стали принадлежностью медицинских и ветеринарных клиник, но особое значение имеет использование ультразвука для диагностики ряда заболеваний. Она применяется наряду с рентгеновскими, оптическими и другими диагностическими методами, а в некоторых случаях успешно их заменяет.

Внедрение в диагностическую практику ультразвука позволило добиться высокой информативности о протекающих в организме патологических процессах, а безопасность и относительная простота по сравнению с рентгенографией способствовали тому, что ультразвуковая диагностика выходит на ведущее место в клинических исследованиях, позволяя определять локализацию опухолей, обнаруживать инородные тела в тканях, визуализировать глубокорасположенные участки организма и т. п.

Ультразвуковой эхо-метод. Диагностический эхо-метод основан на отражении ультразвука на границах между тканями с различными акустическими сопротивлениями. Этот метод сходен с рентгенографией, однако он более чувствителен. Изображения двух тканей на рентгеновском снимке отличаются друг от друга только в том случае, если разница в их плотностях составляет не менее 10%.

Ультразвук позволяет дифференцировать мягкие ткани,, различающиеся по плотности всего на 0,1%- Кроме того, ультразвук низких интенсивностей практически безвреден, а ультразвуковая аппаратура компактнее и дешевле рентгеновской. Принцип ультразвукового эхо-метода пояснен на рисунке. Ультразвуковой генератор (УЗГ) создает электрические импульсы ультразвуковой частоты, поступающие на пьезокристалл, от которого в тканях распространяется УЗ волна. Если волна встречает на своем пути участок, акустическое сопротивление которого иное, чем у окружающей среды (например, на границе между жировым слоем и мышечной тканью), то она отражается и попадает на приемник ультразвука, в котором возбуждает электрические колебания. Эти колебания затем направляются в усилитель и на регистрирующее устройство, например на электронный осциллограф, на экране которого возникает сигнал, позволяющий судить о размерах, форме и глубине залегания отражающего объекта.

Если скорость ультразвука в ткани 1500 м/с, а его частота 30 кГц, то длина волны l = 5 см. Следовательно, ультразвук такой частоты вследствие дифракции не сможет дать четкого изображения участка ткани размером менее 5 см, что часто бывает недостаточно. Для повышения разрешающей способности УЗ диагностики необходимо уменьшать длину волны, а следовательно, повышать частоту. Поэтому в УЗ диагностике используют генераторы, дающие частоты от 1 до 10 МГц, но, поскольку с повышением частоты ультразвука возрастает его поглощение, это приводит к необходимости увеличивать его интенсивность, что не всегда желательно. Обычно в диагностике применяют ультразвук с интенсивностью, не превышающей 0,1·10⁴ Вт/м².

Исследование ультразвуком внутренних органов в медицине получило широкое распространение, выпускается ряд аппаратов, хорошо зарекомендовавших себя в клинической практике.

Диагностика на основе эффекта Доплера. Особенно большими возможностями и преимуществами обладает разновидность ультразвукового эхо-метода, основанная на эффекте Доплера, позволяющая не только изучать расположение тех или иных органов и участков тканей, но и физиологические процессы в их динамике.

Метод Доплера в гемодинамике. Доплеровский расходомер (см. рис.) позволяет определять ряд параметров кровотока в сосудистой системе. Пусть ультразвук пересекает кровеносный сосуд под углом j (рис). Если ультразвук отражается от статических объектов, которые встречаются на его пути от источника до сосуда, то частота звука не меняется и остается равной n ₀. Отражение ультразвука от пульсирующих стенок сосуда и от взвешенных в плазме и движущихся вместе с ней форменных элементов крови (в основном от эритроцитов, акустическое сопротивление которых значительно отличается от акустического сопротивления плазмы) сопровождается эффектом Доплера. Поскольку скорость пульсации стенок сосуда значительно меньше скорости движения эритроцитов, то n _дс(доплеровская частота от сосудов) значительно меньше, чем n _дэ (доплеровская частота от эритроцитов), и сигналы эти поддаются разделению.

Зная доплеровскую частоту, можно по формуле (2.15) вычислить скорость движения эритроцитов, а следовательно, и скорость кровотока. Поскольку скорость крови неодинакова по сечению сосуда, то на выходе прибора получается спектр доплеровских частот, соответствующих различным скоростям кровотока.

Отраженный сигнал попадает на приемник, в котором возникают электрические колебания с частотой n ₀ + n _дс + n _дэ, которые принимает электронная схема Э. В схему подают также колебания от генератора с частотой n ₀, в результате чего возникают биения, модулированные частотами n _дс и n _дэ. Эти колебания попадают в демодулятор, который выделяет сигналы с доплеровской частотой. Затем сигналы проходят через фильтр Ф, выделяющий интересующую исследователя частоту n _дэ и попадают в преобразователь П, который превращает сигнал доплеровской частоты в такой сигнал, напряжение которого пропорционально скорости потока крови. Затем сигнал попадает в регистрирующее устройство (осциллограф, самописец и другие).

Ультразвук подается импульсами длительностью порядка 1 мкс с промежутком между импульсами порядка 1 мс. Помимо того что нагрев ткани при таком облучении становится почти незаметным, по времени между испусканием импульса и его регистрацией можно определить расстояние до отражающего объекта (эхолокация). Таким образом, по доплеровским сигналам, образованным внешней и внутренней стенками сосуда, можно определить диаметр сосуда, а по сигналам от эритроцитов узнать, на каком расстоянии от стенки сосуда находятся эритроциты, обладающие той или иной скоростью. Это позволяет изучать динамику потока крови в различных участках сечения сосуда.

По знаку в формуле можно определять направление кровотока. Исследования показали, что в ряде случаев при сердечно-сосудистых заболеваниях в артериях существует такое отрицательное явление, как противоток венозной крови.

Доплеровские сигналы можно регистрировать не только электронными устройствами, но и акустически, так как при гемодинамических исследованиях доплеровские частоты находятся, как правило, в области слышимого звука, и их можно прослушивать наушниками. Такая регистрация похожа на фонендоскопию или аускультацию, только обладает значительно большей информативностью. Опытный клиницист по звукам доплеровских частот может определить нарушения в динамике крови и в сердечной деятельности. Более объективный метод регистрации – запись сигналов на телеэкране.

Исследование кровотока доплеровским методом применяют в настоящее время с самыми различными целями физиологи, медики и ветеринарные врачи. Так, имплантированные на различные отделы аорты и на сонной артерии у некоторых животных УЗ датчики позволили изучать изменения величины кровотока при гипокинезии, физических нагрузках и других отклонениях от нормальной деятельности животного и человека. Аналогичным образом можно изучать мозговую гемодинамику и изменения кровотока при инсультах, что позволяет делать ценные диагностические выводы.

Метод Доплера в кардиологии. Ультразвуковая доплеровская кардиография является наиболее адекватным методом прижизненной оценки сердечной деятельности. Средняя скорость движения стенки желудочка за время изгнания крови может быть вычислена по рентгенограмме. Однако, даже не говоря о нежелательности работы с рентгеновским излучением в области сердца, рентгенограмма дает искажения, вызванные несинхронными записями. Кроме того, следует учитывать, что усреднение скорости такого неравномерного движения, каким является движение стенок сердца, дает малую информацию о его работе. Для диагностических целей важно знать максимальные и мгновенные значения скоростей стенок сердца с разверткой по времени. Именно эти параметры удается получать доплеровским методом, который позволяет регистрировать доплеровские частоты, вызванные отражениями ультразвука от движущихся участков сердца. Существующие установки могут измерять расстояние до участков сердца, их размеры, скорости и ускорения, фиксировать начало и длительность различных фаз сердечного цикла.

Трудности, связанные с этим методом, обусловлены тем, что приходится одновременно регистрировать отражения от передней и задней стенок желудочков, колеблющихся в противоположных направлениях. Кроме того, различная дальность относительно приемника колебаний передней и задней стенок приводит к ошибкам в регистрации моментов начала и конца их движений. Тем не менее эти трудности преодолимы. Применяя уже известную и хорошо разработанную радиолокационную методику, обеспечивающую временную селекцию информации о параметрах движения целей, находящихся на различном удалении от приемника, удалось создать аппаратуру, которая позволяет определять геометрические и кинематические характеристики элементов сердца.

Исследования этим методом позволили получить интересные результаты. Так, доплеркинетограмма ускорения миокарда у здоровых людей показала, что в левом желудочке среднее ускорение– 94,36 см/с², ускорение при быстром изгнании крови – 78,5 и ускорение при быстром наполнении–110,8 см/с². Эти величины получить иными способами невозможно. Доплеркинетограмма при мерцательной аритмии показывает, что это заболевание вызывает изменения значений скорости и ускорения движения миокарда в систоле и диастоле. Поэтому доплеркинетограммы позволяют осуществлять раннюю диагностику предынфарктного состояния. Опыт, накопленный при использовании доплеровских методов в медицине, делает весьма перспективным их применение в диагностике ряда заболеваний сельскохозяйственных животных.

Метод Доплера в гинекологии и акушерстве. Этот метод позволяет прослушивать сердце плода, устанавливать многоплодие (доплеровские частоты от нескольких сердец), измерять скорость кровотока в маточных артериях, движения жидкости в пуповине, делать заключение о наличии эмболии (т. е. о переносе потоком крови частиц – эмбол, вызывающих закупорку сосудов), контролировать работу мочевого пузыря плода и многое другое. Существующая аппаратура позволяет определять сердечную деятельность плода начиная с 9–10 нед беременности, выясняя, таким образом, наличие возможных патологий. Обычная аускультация дает мало информации о деятельности сердца плода из-за сильного внутриутробного сжатия; ЭКГ тоже недостаточно информативна. Доплеровские сигналы, обладая значительной информативностью, не всегда поддаются простой интерпретации. Ухо очень хорошо выделяет из спектра нужные частоты, и поэтому в клинической практике часто применяют прослушивание доплеровских сигналов через наушники. Метод позволяет четко очерчивать положение плаценты, вести контроль динамики развития плода во время беременности и его состояния в процессе родового акта.