Принципы ультразвукового исследования

Современные успехи клинической диагностики во многом определяются совершенствованием методов исследования. Значительный скачок в этом вопросе был достигнут благодаря разработке и внедрению в практику принципиально новых способов получения медицинского изображения. Одним из таких наиболее стремительно развивающихся направлений современной медицины является ультразвуковая диагностика.

Чрезвычайно ценной особенностью данного метода является способность визуализировать внутреннюю структуру паренхиматозных органов, что было невозможно при традиционном рентгенологическом исследовании. Благодаря высокой информативности и достоверности ультразвукового метода диагностика многих заболеваний и патологий поднялась на качественно новый уровень. В настоящее время наравне с другими современными методами исследований, ультразвуковая диагностика используется повсеместно, являясь одним из ведущих диагностических методов во многих разделах клинической медицины.

Применение ультразвуковых волн в медицинской диагностике дает возможность получать информацию о состоянии внутренних органов и структур. Чтобы более грамотно подходить к процессу диагностики, необходимо знать принцип работы ультразвуковой диагностической установки, знать основы физики ультразвука и его взаимодействие с тканями тела человека. Это поможет избежать бездумного использования прибора, а, следовательно, повысит качество медицинского обследования.

Ультразвук это звуковые или акустические волны, частота которых выше 20 кГц, что выше максимальной частоты звука, воспринимаемой человеческим ухом. Акустические волны представляют собой механические колебания частиц в упругой среде и несущие собой энергию. Такие волны могут существовать и распространяться в твердых телах, жидкостях и газах. Например, мягкие ткани подобны жидким упругим средам, костные образования и конкременты (камни, плотные образования, встречающиеся в полостных органах и выводных протоках желёз человека, могут быть разной величины, формы и консистенции) - подобны твердым упругим средам, а легкие, кишечник и желудок содержат в своем составе газовые образования(полости). По этой причине акустические волны могут распространяться во всех видах биологических тканей.

Пьезоэффект, благодаря которому получают ультразвуковые колебания, был открыт в 1881 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца или Rochelle соли, генерируется электрический заряд. Этот заряд был прямо пропорционален прикладываемой к кристаллу силе; это явление было названо "пьезоэлектричеством" (от греческого - "нажать"). Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию.

Свое применение это открытие нашло во время первой мировой войны, когда К.В. Шиловский и П. Ланжевен разработали сонар, использовавшийся для навигации судов, для определения расстояния цели и поиска подводных лодок. Эти работы внесли большой вклад в знания о генерировании и получении сверхзвуковых волн. В 1935 году Сергей Яковлевич Соколов сконструировал ультразвуковой дефектоскоп прямого видения, основанный на принципе сквозного “просвечивания” металлов (дефектоскопия).

Исследование внутренней структуры объектов с помощью ультразвука, причём не обязательно биологических, называется ультразвуковой эхоскопией. Ультразвуковая эхоскопия – это методы и технические средства получения визуальной информации о внутренней структуре различных объектов и сред путём использования явления отражения, рассеяния и поглощения ультразвуковых сигналов, образующихся при взаимодействии ультразвукового излучения с исследуемым объектом. Результаты исследований Ланжевена и других физиков привели к возникновению большого интереса к применению ультразвука в качестве терапевтического средства. Позднее ультразвук стал применяться в медицине для целей диагностики.

Попытки использования ультразвука в целях медицинской диагностики привели к появлению в 1937 году одномерной эхоэнцефалографии. Братья Теодор и Фридрих Дуссики использовали передатчик в 1,5 МГц, чтобы зарегистрировать изменения в амплитуде энергии, обнаруженной при сканировании человеческого мозга. Однако лишь в начале пятидесятых годов удалось получить ультразвуковое изображение внутренних органов и тканей человека. С этого момента ультразвуковая диагностика стала широко применяться в диагностике многих заболеваний и повреждений внутренних органов.

В 1950 г. Гельмут Герц приступил к изучению приложений ультразвука в медицинских исследованиях. Эти труды принесли ему мировую известность. Он предположил, что ультразвук может играть роль в оценке состояния сердца. В сотрудничестве с врачом Инге Эдлером он создал эхокардиографию, бескровный метод обследования сердца.

В 1960-ых годах ограничением ультразвуковой технологии был медленный и утомительный сбор изображений и небольшая разрешающая способность изображения, вызванная движением пациента. Несмотря на эти стеснения, ультразвук заработал уважение медицинского сообщества и быстро становился рутинным методом диагностики. За следующие два десятилетия, усовершенствования в технологии ультразвука ускорялись, и ее использование во многих медицинских специальностях стало незаменимым.

В ультразвуковых диагностических системах используется эхолокационный принцип получения информации о тканях и органах, при котором излучаются сигналы и принимаются сигналы, отраженные от неоднородностей биологической среды, таким образом, получая акустическое изображение. Отраженные сигналы, которые принимаются датчиком и используются для диагностики, называются эхо-сигналами.

Основными физическими характеристиками эхо-сигнала являются:

Отражение – физическое явление, при котором для получения информации о тканях используются отраженные волны, т.е. волны, отраженные в сторону от волн, излученных датчиком первоначально.

На информацию, получаемую датчиком с помощью отраженных волн, в существенной мере влияют такие физические свойства волны как поглощение, преломление и рассеяние.

Поглощение – переход энергии ультразвуковых волн в другие виды энергии, например, в тепло, что вызвано вязкостью среды.

Преломление – изменение распространения волн при переходе из одной среды в другую, что может приводить к геометрическим искажениям получаемого изображения.

Рассеяние – множественное изменение направления распространения ультразвуковой волны, обусловленное мелкими неоднородностями биологической среды, что, в свою очередь, приводит к многочисленным отражениям и преломлениям.

Все вышеперечисленные характеристики являются причиной затухания эхо-сигнала в биологических тканях, которое характеризует уменьшение энергии ультразвуковых волн при распространении.