Н.В. Викторов, Т.Ю. Викторова.

Медицинский центр «Арт-Мед», Москва.

Основные принципы метода и физические характеристики

Ультразвук - высокочастотные колебания, лежащие в диапазоне выше полосы частот, воспринимаемых человеческим ухом (более 20 000 Гц). Излученные в тело пациента, ультразвуковые колебания отражаются от исследуемых тканей, крови, а также поверхностей, таких как границы между органами, и, возвращаясь в ультразвуковой сканер , обрабатываются и измеряются после их предварительной задержки для получения фокусированного изображения. Результирующие данные поступают на экран монитора, позволяя производить оценку состояния внутренних органов. Даже несмотря на то, что ультразвук не может эффективно проникать через такие среды как воздух или другие газы, а также кости, он находит широкое применение при исследовании мягких тканей. Использование ультразвуковых гелей и других жидкостей одновременно с улучшением характеристик датчиков, увеличивает области применения для различных медицинских обследований.

Скорость ультразвуковых волн в мягких тканях тела человека в среднем составляет 1,540 м/сек и практически не зависит от частоты. Датчик является одним из основных компонентов диагностических систем, который конвертирует электрические сигналы в ультразвуковые колебания и производит электрические сигналы, получая отраженное эхо от внутренних тканей пациента. Идеальный датчик должен быть эффективен как излучатель и чувствителен как приемник, иметь хорошие характеристики излучаемых им импульсов со строго определенными показателями, а также принимать широкий диапазон частот , отраженных от исследуемых тканей.

В электронных датчиках ультразвуковые колебания возбуждаются благодаря подаче высоковольтных импульсов на пьезо-кристалы, из которых состоит датчик (пьезоэлектрический эффект был открыт Пьером и Марией Кьюри в 1880 году). Количество раз, сколько кристалл вибрирует за секунду, определяет частоту датчика. С увеличением частоты уменьшается длина волны генерируемых колебаний, что отражается на улучшении разрешения, однако, поглощение ультразвуковых колебаний тканями тела пропорционально возрастанию частоты, что влечет за собой уменьшение глубины проникновения. Поэтому датчики с высокой частотой колебаний обеспечивают лучшее разрешение изображения при исследовании не глубоко расположенных тканей, так же как низкочастотные датчики позволяют обследовать более глубоко расположенные органы, уступая высокочастотным качеством изображения . Это разногласие является основным определяющим фактором при использовании датчиков.

В ежедневной клинической практике применяются различные конструкции датчиков, представляющие собой диски с одним элементом, а также объединяющие несколько элементов, расположенных по окружности или вдоль длины датчика, производящие различные форматы изображения, которые необходимы или предпочтительны при проведении диагностики различных органов.

Традиционно и в основном используются пять типов датчиков

• Механические секторные датчики.
• Датчики с фазированным сканированием.

Эти пять основных видов датчиков различаются согласно

• методу формирования ультразвуковых колебаний;
• методу излучения;
• создаваемому ими формату изображения на экране монитора.

Форматы изображения, получаемые при помощи различных датчиков

Механические секторные датчики

* Темным фоном выделены зоны с наилучшим разрешением.

В диагностических целях обычно используют датчики с частотами: 3.0 МГц, 3.5 МГц, 5.0 МГц, 6.5 МГц, 7.5 МГц. Кроме того, в последние годы на рынке ультразвуковой техники появились приборы, оснащенные высокочастотными датчиками 10-20 МГц.

Области применения датчиков

• 3.0 МГц (конвексные и секторные) используются в ;
• 3.5 МГц (конвексные и секторные) - в абдоминальной диагностике и исследованиях органов малого таза;
• 5.0 МГц (конвексные и секторные) - в ;
• 5.0 МГц с коротким фокусом могут применяться для обследования молочной железы;
• 6.0-6.5МГц (конвексные, линейные, секторные, аннулярные) - в полостных датчиках;
• 7.5МГц (линейные, датчики с водной насадкой) - при исследовании поверхностно расположенных органов - щитовидной железы, молочных желез, лимфатической системы.

Основные параметры настройки изображения

• Gain - "усиление" детектированного сигнала за счет изменения отношения амплитуд входного и выходного сигналов. (Чрезмерно высокий уровень усиления приводит к размытости изображения, которое становится "белым").
• Dynamic range (динамический диапазон) - диапазон между регистрируемыми сигналами с максимальной и минимальной интенсивностью. (Чем он шире, тем лучше воспринимаются сигналы, мало отличающиеся по интенсивности).
• Контрастность - характеризует способность системы различать эхосигналы с небольшим различием амплитуды или яркости.
• Фокусировка - используется для улучшения разрешающей способности в конкретной исследуемой области. (Увеличение количества фокусных зон повышает качество изображения, но снижает частоту кадров).
• TGC - усиление, компенсированное по глубине.
• Frame average (усреднение кадров) - позволяет сглаживать изображение за счет наложения определенного количества кадров друг на друга в единицу времени или делать его жестким, приближая к реальному масштабу времени.
• Direction - меняет ориентацию изображения на экране (слева направо или сверху вниз).

При проведении диагностики, наряду с полезной информацией, довольно часто появляются артефакты изображения , а также наблюдаются некоторые акустические явления.

Артефакты изображения

• Реверберация. Наблюдается в случае, когда ультразвуковая волна попадает между двумя или более отражающими поверхностями, частично испытывая многократное отражение. При этом на экране появятся несуществующие поверхности, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии, равном расстоянию между первым и вторым. Наиболее часто это происходит при прохождении луча через жидкостьсодержащие структуры.
• Зеркальные артефакты. Это появление на изображении объекта, находящегося по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны. Это явление часто возникает около диафрагмы.
• "Хвост кометы". Так называют мелкие эхопозитивные сигналы, появляющиеся позади пузырьков газа и обусловленные их собственными колебаниями.
• Артефакт преломления. Проявляется, если путь ультразвука от датчика к отражающей структуре и обратно не является одним и тем же. При этом на изображении возникает неправильное положение объекта.
• Артефакт эффективной отражательной поверхности. Заключается в том, что реальная отражательная поверхность больше, чем отображенная на изображении, так как отраженный сигнал не всегда весь возвращается к датчику.
• Артефакты толщины луча. Это появление, в основном в жидкость-содержащих структурах, пристеночных отражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может одновременно формировать изображение органа и изображение рядом расположенных структур.
• Артефакты скорости ультразвука. Усредненная скорость ультразвука в мягких тканях 1,54 м/с, на которую запрограммирован прибор, несколько больше или меньше скорости в той или иной ткани. Поэтому небольшое искажение изображения неизбежно.
• Артефакт акустической тени. Возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами.
• Артефакт дистального псевдоусиления. Возникает позади слабопоглощающих ультразвук структур.
• Артефакт боковых теней. Возникает при падении луча по касательной на выпуклую поверхность структуры, скорость прохождения ультразвука в которой значительно отличается от окружающих тканей. Происходит преломление и, иногда, интерференция ультразвуковых волн.

Основные термины, применяемые для описания акустических характеристик образований и патологических процессов

• анэхогенный;
• гипоэхогенный;
• изоэхогенный;
• гиперэхогенный;
• кистозное образование;
• солидное образование;
• кистозно-солидное образование;
• эхоплотное образование с акустической тенью;
• диффузное поражение;
• узловое (очаговое) поражение;
• диффузно-узловое поражение.

Эхогенность - характеристика тканей, отражающая их способность формировать эхо.
Гомогенная структура - область, формирующая однородное эхо.

Некоторые ультразвуковые симптомы патологических процессов и образований

• "Халло". Представляет собой ободок сниженной эхогенности вокруг образования, например метастаза печени.
• Симптом "бычьего глаза". Подобным образом выглядит объемное образование неравномерной акустической плотности с гипоэхогенным ободком и гипоэхогенной областью в центре, наблюдается при метастазах в печени.
• Симптом "псевдоопухоли". На фоне выраженной жировой инфильтрации печени гипоэхогенный участок неизмененной паренхимы, располагающийся как правило вблизи , может представляться как дополнительное образование.
• Симптом "рельс". Имеет место при выраженной дилатации внутрипеченочных желчных протоков, когда вена печени и проток представлены в виде параллельных трубчатых структур.
• Симптом "двустволки". Так выглядит значительно расширенный холедох и портальная вена в проекции ворот печени.
• Симптом "снежных хлопьев". Множественные мелкие образования повышенной эхогенности в просвете желчного пузыря, появляющиеся сразу после изменения положения тела пациента, наблюдающиеся при хронических холециститах.
• Симптом "снежной бури". Участки повышенной эхогенности в печени с нечеткими контурами неопределенной формы и различной величины, наблюдающиеся при циррозе. Также множественные неоднородные образования овальной формы, повышенной эхогенности, расположенные в полости матки при пузырном заносе или в яичниках при лютеиновых кистах.
• Симптом "псевдопочки". Проявляется при опухолевом поражении желудочно-кишечного тракта. При поперечном сканировании изображение пораженного участка кишки напоминает почку - периферическая зона низкоэхогенна, а центральная имеет повышенную эхогенность.

Термины для описания расположения анатомических структур

• краниальный (верхний);
• каудальный (нижний);
• вентральный (передний);
• дорсальный (нижний);
• медиальный (срединный);
• латеральный (боковой);
• проксимальный (описание структур, расположенных близко от места их происхождения или прикрепления);
• дистальный (описание структур, расположенных далеко от места их происхождения или прикрепления).

В ходе исследования оценивают

• расположение и взаиморасположение органов и их частей;
• их форму и размеры;
• контуры;
• структуру (с оценкой звукопроводимости);
• наличие или отсутствие дополнительных образований;
• состояние внутри- и околоорганных сосудов.

Основные плоскости сканирования

• сагиттальная (продольная) - плоскость сканирования, когда длинная ось датчика ориентирована в направлении голова - ноги пациента;
• фронтальная - плоскость сканирования, когда датчик расположен на боковой поверхности тела пациента при ориентации его длинной оси голова - ноги;
• поперечная - плоскость сканирования, когда длинная ось датчика ориентирована перпендикулярно длинной оси тела пациента.

Артефакт в ультразвуковой диагностике — это появление на изображении несуществующих структур, отсутствие существующих структур, неправильное расположение структур, неправильная яркость структур, неправильные очертания структур, неправильные размеры структур.

Реверберация

Один из наиболее часто встречающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или более отражающими поверхностями. При этом часть энергии ультразвукового импульса многократно отражается от этих поверхностей, каждый раз частично возвращаясь к датчику через равные промежутки времени (рис. 1).

Рис. 1. Реверберация.

Результатом этого будет появление на экране монитора несуществующих отражающих поверхностей, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удается изменением положения датчика. Вариантом реверберации является артефакт, получивший название "хвост кометы". Он наблюдается в том случае, когда ультразвук вызывает собственные колебания объекта. Этот артефакт часто наблюдается позади мелких пузырьков газа или мелких металлических предметов. Ввиду того, что далеко не всегда весь отраженный сигнал возвращается к датчику (рис. 2), возникает артефакт эффективной отражательной поверхности, которая меньше реальной отражательной поверхности.

Рис. 2. Эффективная отражательная поверхность.

Из-за этого артефакта определяемые с помощью ультразвука размеры конкрементов обычно немного меньше, чем истинные. Преломление может вызывать неправильное положение объекта на полученном изображении (рис. 3).

Рис. 3. Эффективная отражательная поверхность.

В том случае, если путь ультразвука от датчика к отражающей структуре и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображении. Зеркальные артефакты — это появление объекта, находящегоя по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны (рис. 4).

Рис. 4. Зеркальный артефакт.

Зеркальные артефакты часто возникают около диафрагмы.

Артефакт акустической тени (рис. 5) возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами. Механизм образования акустической тени аналогичен формированию оптической.

Рис. 5. Акустическая тень.

Артефакт дистального лсевдоусиления сигнала (рис. 6) возникает позади слабо поглощающих ультразвук структур (жидкостные, жидкостьсодержащие образования).

Рис. 6. Дистальное псевдоусиление эха.

Артефакт боковых теней связан с преломлением и, иногда, интерференцией ультразвуковых волн при падении ультразвукового луча по касательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохождения ультразвука в которой существенно отличается от окружающих тканей (рис. 7).

Рис. 7. Боковые тени.

Артефакты, связанные с неправильным определением скорости ультразвука, возникают из-за того, что реальная скорость распространения ультразвука в той или иной ткани больше или меньше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запрограммирован прибор (рис. 8).

Рис. 8. Искажения из-за различия в скорости проведения ультразвука (V1 и V2) различными средами.

Артефакты толщины ультразвукового луча — это появление, главным образом в жидкостьсодержащих органах, пристеночных отражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может одновременно формировать изображение органа и изображение рядом расположенных структур (рис. 9).

Рис. 9. Артефакт толщины ультразвукового луча.

Эхоакустическое псевдоусиление

Этот артефакт возникает позади структур, слабо поглощающих ультразвук, т.е. позади содержащих жидкость объектов (мочевой пузырь, желчный пузырь, кисты и пр.). В некотором смысле он противоположен артефакту теней (1;4;5).

Знание этого феномена помогает в подтверждении жидкостной природы сканируемого объекта. Классическим примером является нормальное эхоакустическое псевдоусиление, появляющееся в паренхиме печени позади желчного пузыря. Эхоакустическое псевдоусиление имеет решающее значение при дифференциальной диагностике кист от новообразований с низкой эхогенностью.

Рис. 10. Артефакт периферического эхоакустического усиления. Звуковая волна слева практически не ослабляется, проходя через наполненный жидкостью пузырь, поэтому область позади него остаётся яркой. Звуковая волна справа, проходящая через паренхиму, ослабляется и затухает.

Рис. 11. Артефакт периферического усиления, возникший позади желчного пузыря.

Рис. 12. Тени, испускаемые объектом.

На этом рисунке изображено три объекта. Объект А испускает истинную эхоакустическую тень, расположенную под объектом. Объект Б тень не испускает. Тени, исходящие от объекта В, являются режущими и направлены по касательной к его поверхности.

Рефракция.

С детства мы знакомы с примером рефракции - карандаш в стакане с водой оптически преломляется. Подобное явление мы можем наблюдать и при прохождении ультразвуковым лучом неоднородных биологических структур - различные объекты могут изменять свою форму и «преломляться» (4).

Чаще всего этот артефакт нам приходится наблюдать при прохождении ультразвукового луча через диафрагму. При этом можно сделать ошибочное заключение о нарушении целостности диафрагмы.

Устранить этот артефакт мы можем, изменив положение датчика и угол сканирования. При перпендикулярном положении датчика к границе раздела двух сред, искажение становится минимальным.

В слоистых тканях артефакт рефракции может привести к расфокусировке луча, что, в свою очередь приводит к ухудшению поперечной разрешающей способности, и в конечном счёте, к потере качества изображения.

Спектл-шум

Этот специфический артефакт, обусловленный высокочастотным характером ультразвуковых сигналов (4), наблюдается на каждом акустическом изображении. Излучаемый датчиком сигнал распространяется вглубь и сохраняет постоянные фазовые соотношения в каждый момент времени в отдельных точках сечения. Это свойство постоянства фаз называется пространственной когерентностью ультразвукового луча. При покачивании или перемещении датчика появляется характерная картинка переливающихся пятен, мешающая адекватной интерпретации изображения. Спектл-шум может имитировать осадок в жидкостных структурах.

Таким образом, наиболее информативными артефактами являются те из них, которые обусловлены физикой ультразвукового луча. Наибольшую диагностическую ценность представляют артефакт истинной эхоакустической тени, артефакт зеркального отражения, артефакт эхоакустического псевдоусиления и артефакт реверберации. Знание этих артефактов поможет врачу поставить правильный диагноз и оказать своевременную и адекватную помощь пациенту.

http://www.ultrasound.net.ua/page/text/name=494/print=1
http://xray.com.ua/animals.php?act=uzd&acti=1318693063&sid=
http://www.invetbio.spb.ru/public/UZI2.htm

Реверберация (Reverberation Artefact) возникает в результате многократного переотражения ультразвука между двумя отражающими поверхностями, например, между стенками артерий. Переотражение изменяет время возвращения эхосигнала к трансдьюсеру с данной глубины. В результате этого на изображении просвета сосуда появляются несуществующие в реальности гиперэхогенные линейные структуры, расположенные параллельно стенкам сосуда.

Реверберация может приводить к ошибочным заключениям о наличии в просвете сосудов бляшек и тромбов. Частный случай реверберации - артефакт "эффект кометы". Этот артефакт возникает в случае, если ультразвук вызывает колебание инсонируемых структур. Чаще всего этот артефакт наблюдается от пузырьков газа в кишечнике в виде гиперэхогенных линий, похожих на "хвост кометы".

Повышающий эффект (Enhancement Effect). Возникает в случае, когда ультразвук проходит через заполненную жидкостью структуру. В этом случае энергия ультразвука теряется в меньшей степени, так как ультразвук слабо отражается при прохождении через акустически однородную структуру. В результате позади структуры по ходу лучей возникает гиперэхогенная полоса. Этот артефакт часто встречается при исследовании брюшной полости в результате прохождения ультразвука через заполненный жидкостью кишечник. Структуры, расположенные в этой зоне, можно рассмотреть, если уменьшить усиление эхосигналов.

Зеркальный артефакт (Mirror Artefact). Кривая анатомическая структура может фокусировать и отражать ультразвук подобно зеркалу. В этом случае изображение исследуемого объекта, например, печени, может быть расположено по обе стороны от зеркального отражателя, в данном случае - диафрагмы. Для устранения этого артефакта следует попробовать зондирование из другой точки.

Управление ультразвуковым сканером позволяет оптимизировать эффективность ультразвуковой диагностики за счет правильной настройки режимов, использования программ измерений и сервисных функций по сохранению и передаче изображений. Управление всеми перечисленными возможностями осуществляется при помощи специальных средств, которые однотипны для большинства сканеров.

Тотальное усиление эхосигналов (В Gain или 2D Gain). Тотальный гейн -важнейшая функция управления постоянного использования. Обеспечивает усиление эхосигналов, отраженных от исследуемого участка. Существенно влияет на качество изображения.

При помощи регуляторов DGC можно дополнительно изменять усиление эхосигналов с различных глубин. Регулировка обычно осуществляется при помощи ползунковых регуляторов. Позволяет улучшить визуализацию выбранного участка эхограммы. При неправильном использовании существенно ухудшает визуализацию. Обычно используется 6 зон компенсации усиления по глубине и соответственно 6 ползунков. Требует контроля настройки, как минимум, при начале рабочей сессии.

Артефактный шум (Artefactial Noise). Это артефактная наводка от близкорасположенных источников электромагнитного излучения (оборудование, электротранспорт и т.д.)

Артефакт-хлопок (Main Bang Artefact). Это довольно известный ультразвуковой эффект, который практически невозможно устранить. Он заключается в появлении высокоинтенсивного эхосигнала по причине сильного различия между акустическими свойствами трансдюссера и прилежащей к нему ткани.

Артефакты, связанные с взаимодействием эхо с тканью

Затемнение (Shadowing). Возникает при инсонации таких структур как газ, кость, кальцинированные атеромы и др., которые хорошо поглощают ультразвук и дают площадь затемнения по ходу эхо

Реверберация (Reverberation Artefact). При отражении ультразвука от структур, с существенно отличающимся от ближайших тканей импедансом (газ, кость), большая часть эхо возвращается к трансдьюсеру и это может быть причиной удвоения оригинальной структуры при визуализации. Часто реверберация наблюдается при сканировании сосудов. В результате переотражения ультразвука между стенками сосуда возникает артефактное заполнение просвета сосуда структурами повышенной эхогенности

Зеркальный артефакт (Mirror Artefact). Кривая анатомическая структура может фокусировать и отражать подобно зеркалу. При этом следует попробовать зондирование указанного участка из другой точки.

Повышающий эффект (Enhancement Effect). Возникает в случае, когда эхо проходит через заполненную жидкостью структуру и позади нее происходит увеличение амплитуды эхо. В этом случае необходимо уменьшить валовый гейн и привести в порядок DGC.

Эффект кометы (Comet Effect). Границы раздела с большой отражающей способностью (ткань, воздух и т.д.) создают плотную эхогенную линию на обратной поверхности.

Артефакт боковых теней. Затемнение по ходу УЗ-лучей (акустическая дорожка) при инсонации выпуклой поверхности. Например, тени от стенок артерии при поперечном сканировании. Возникает из-за интерференции УЗ-волн.