книги / Экспериментальные методы в биомеханике

Впервые в медицине начали применять ультразвук в качестве метода лечения в конце 20-х – начале 30-х годов. В 40-х годах ультразвук использовали с целью облегчения боли при артритах, язвенной болезни желудка, в лечении экземы, астмы, тиреотоксикоза, геморроя, недержания мочи, элефантиаза и даже стенокардии.

Применение ультразвука в качестве диагностического метода обнаружения опухолей, экссудатов и абсцессов в 1940 году впервые предложили немецкие клиницисты H. Gohr и T. Wedekind. По их мнению, такая диагностика могла основываться на отражении ультразвуковых волн от патологических объемных образований головного мозга (принцип работы дефектоскопа металлов). Однако они так и не смогли продемонстрировать убедительные результаты своих экспериментов, в связи с чем их исследования не имели популярности.

В 1950 году американские нейрохирурги W. Fry и R. Meyers использовали ультразвук для разрушения базальных ганглиев у пациентов с болезнью Паркинсона. Ультразвуковую энергию с успехом начали применять в терапии и в реабилитационной медицине.

Основателем ультразвуковой диагностики считается австрийский невролог, психиатр K.T. Dussik, впервые применивший ультразвук с диагностической целью. В 1946 году G. Ludwig (США) с помощью ультразвуковых волн проводит эксперименты на животных по выявлению инородных тел в желчном пузыре. Через три года результаты его исследований были официально обнародованы. Он, в частности, определил, что диапазон скорости передачи ультразвука в мягких тканях животных составляет 1490–1610 м/сек (в среднем 1540 м/сек). Эта величина УЗ-волны и сегодня используется в медицине. Оптимальная частота ультразвука, согласно данным исследователя, составляет 1–2,5 МГц.

Английский хирург J.J. Wild в 1950 году начал исследование возможности применения УЗ для диагностики хирургической патологии. Год спустя американский радиолог D. Howry с коллегами разработали ультразвуковой сканер с полукруглой кюветой, имеющей окно. Пациента пристегивали ремнем к пластмассовому окну, и он должен был оставаться неподвижным в течение длительного времени исследования. Аппарат назывался сомаскоп, сканировал

51

органы брюшной полости, а полученные результаты получили название сомаграммы. В 1957 году им же был разработан кюветный сканер. Пациент сидел в видоизмененном стоматологическом кресле и был закреплен напротив пластмассового окна полукруглой кюветы, заполненной солевым раствором.

В 1952 году в США был основан American Institute of Ultrasound in Medicine (AIUM). Некоторое время спустя, в 1962 году, J. Homles вместе с инженерами сконструировали рычажный сканер, который уже мог перемещаться над пациентом при помощи ручного управления, осуществляемого оператором. В 1963 году в США был разработан первый контактный сканер, управляемый рукой. Это было начало этапа становления наиболее популярных статических ультразвуковых аппаратов в медицине. С 1966 года AIUM начал проводить аккредитацию ультразвуковой практики. Чтобы получить лицензию на такую практику, врач должен был осуществлять интерпретацию как минимум 170 УЗ-снимков в год.

Таким образом, с конца 50-х годов прошлого века в разных странах – США, Германии, Великобритании, Австралии, Швеции, Японии начали проводиться исследования по возможности применения УЗ с целью диагностики заболеваний. В основе их проведения использовались принципы гидролокации (A-режим УЗ-волн) и радиолокации (B-режим). Дальнейшее совершенствование УЗаппаратов привело к тому, что в настоящее время медицина уже не представляет свое существование без данного метода диагностики.

Исследования по использованию УЗД в медицине проводились также и в СССР. В 1954 году на базе Акустического института АН

СССР было создано отделение ультразвука под руководством профессора Л. Розенберга. Первые упоминания об использовании УЗД в терапии датируются 1960-м годом. В начале 70-х годов Научноисследовательский институт медицинских инструментов и оборудования СССР выпускал экспериментальные ультразвуковые аппараты. Эти модели предназначались для использования в офтальмологии, неврологии, кардиологии и в ряде других областей медицины, однако по распоряжению правительства они так и не были внедрены в практическую медицину. И только с конца 80-х годов УЗД начала постепенно внедряться в медицинскую практику нашей страны

52

2.6.2. Принцип метода

Ультразвуковые волны – это упругие колебания среды с частотой лежащей выше диапазона слышимых человеком звуков – выше 20 кгц. Они обладают высокой приникающей способностью и проходят через ткани организма, не пропускающие видимого света. Относятся к числу неионизирующих излучений и в применяемом в диагностике диапазоне не вызывают существенных биологических эффектов. По средней интенсивности энергия их не превышает (при использовании коротких импульсов) 0,01 Вт/см2. Поэтому противопоказаний к исследованию не имеется. Сама процедура ультразвуковой диагностики непродолжительна, безболезненна, может быть мгновенно прекращена.

Ультразвуковые волны при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. В наименьшей степени эхогенны жидкие среды, благодаря чему они используются для создания ультразвукового «окна», через которое лучше видны другие органы (например, через наполненный мочевой пузырь хорошо видна матка и другие органы репродуктивной системы женщины). Заполненные воздухом полости, напротив, чрезмерно эхогенны, а потому их исследование с помощью УЗИ затруднено. Поскольку на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, при ультразвуковом сканировании между датчиком и кожей не должно быть воздушной прослойки. Для ее устранения необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое играет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

Отраженные в различной степени ультразвуковые колебания улавливаются все тем же датчиком и специальной компьютерной

53

Виды датчиков. Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются.

Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики, или трансдюсоры, ультразвуковых аппаратов называются линейными, конвексными и секторными. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.

Линейные датчики используют частоту 5–15 МГц. За счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 10 см). Используются в основном для исследования поверхностно расположенных структур – щитовидной железы, молочных желез, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.

Конвексный датчик использует частоту 2,5–7,5 МГц. За счет меньшей частоты глубина сканирования достигает 20–25 см. Обычно используется для исследования глубоко расположенных органов – органов брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренных суставов.

Секторный датчик работает на частоте 1,5–5 МГц. Используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. Типичным применением секторного датчика является эхокардиоскопия – исследование сердца.

Используемые частоты для УЗИ. Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5–3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц. для эхографии сердца волны с частотой 2,25–5,0 МГц, в гинекологии –

3,5–5,0 МГц, глаза – 10–15 МГц.

Усилитель и система реконструкции. Отраженные эхосигна-

лы поступают в высокочастотный усилитель и специальные систе-

55

мы реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в виде изображения срезов тела, имеющих различные оттенки черно-белого цвета. Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная – черным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение.

Выбор позитивной или негативной регистрации не имеет значения. Полученное изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью принтера.

Результаты выдаются в буквенной или цифровой форме. Возможна запись на видеоленте в цвете.

Большинство ультразвуковых установок позволяет проводить сканирование пучком волн относительно большого диаметра и большой частотой кадров в секунду, когда время перемещения ультразвукового луча намного меньше периода движения внутренних органов. Это обеспечивает прямое наблюдение по экрану индикатора за движениями органов (сокращениями и расслаблениями сердца, дыхательными движениями органов и т. п.). Про такие исследования говорят, что их проводят в режиме реального времени (исследование в «реальном масштабе времени»).

2.6.4. Режимы ультразвукового исследования

Установки для ультразвуковых исследований работают в режиме импульсной эхолокации и на основе эффекта Доплера.

При импульсной эхолокации используется короткий ультразвуковой сигнал, и ответ регистрируется в виде отраженного сигнала. Установки на основе эффекта Доплера измеряют кинематическую характеристику быстропротекающего процесса (параметры кровотока, сокращения сердца).

Ультразвуковое исследование производится в различных режимах сканирования [2, 10]. Основным на сегодняшний день является В–режим в реальном времени, применяемый практически во всех ультразвуковых исследованиях для определения анатомических структур, их визуализации и измерения.

56

М-режим используется в эхокардиографии для получения визуализации объекта относительно временных характеристик. Д-режим, допплеровский (импульсный и постоянноволновой режим), позволяет оценить скорости кровотока в сосудах и сердце. Цветовое допплеровское картирование (ЦДК) – это исследование скоростных характеристик потока, закодированных в цвете. ЭД – энергетическое допплеровское картирование – цветовой режим, более эффективный для визуализации кровотока в мелких сосудах с низкими скоростными характеристиками.

Характеристика режимов ультразвукового исследования

Исследование в M-модальном и двухмерном режимах. Дат-

чик посылает и принимает ультразвуковые сигналы высокой частоты (2—8 МГц), фиксируя время прохождения волны до определенной структуры и обратно. Это время пропорционально расстоянию от этой структуры до источника ультразвука. Поскольку скорость распространения ультразвука в тканях человека известна (1540 м/с), зарегистрированное время прохождения волны может быть преобразовано в электрические сигналы и воспроизведено на экране как расстояние до структуры. M-модальный режим — режим развертки яркости структур во времени. При этом на экране прибора по вертикальной оси откладывается расстояние от исследуемого органа до датчика, а по горизонтальной — время. Исследование в M-мо- дальном режиме дает одномерное представление о структурах, которые пересекаются ультразвуковым лучом.

В-режим – режим получения акустических изображений с помощью двухмерного сканирования и отображения эхо-сигналов на экране в виде отметок, яркость которых пропорциональна амплитуде эхо-сигналов. Основной режим, при котором на экране отображается выбранная плоскость в реальном времени

Multibeam или мультилуч – технология цифрового формирования луча, при котором отраженный сигнал регистрируется не одним, а несколькими (соседними) приемными элементами, результат при этом усредняется. За счет применения технологии «мультилуч» достигается более высокая точность – фильтруются составляющие,

57

вызванные многократным отражением, нелинейным ослаблением сигнала, неточностью временных задержек.

Доплерография. Как известно, сущность эффекта Допплера заключается в изменении частоты волн при отражении от движущегося объекта [2, 4, 6, 10, 12, 16]. Это явление впервые описал в 1842 году австрийский математик и физик C. Doppler. УЗ-допплер как метод диагностического исследования в медицине был представлен в 1955 году японскими учеными S. Satomura и Y. Nimura, которые исследовали с его помощью работу клапанов сердца и пульсацию периферических сосудов. Спустя семь лет их соотечественники Z. Kaneko и K. Kato установили, что с помощью метода УЗ-допплера можно определять направление тока крови. Изучение допплерэффекта в 60-е годы проводилось также в США, Великобритании и других странах.

Допплеровское исследование позволяет определить направление и скорость кровотока в сосудах плода и матери. Сущность эффекта Допплера заключается в изменении частоты ультразвука при отражении от движущегося объекта, например эритроцитов. Если они движутся по направлению к датчику, то частота отраженных колебаний превышает частоту испускаемых. При движении объекта от датчика частота отраженных колебаний меньше. Разница между частотой отраженных и испускаемых волн называется сдвигом частоты ультразвукового сигнала. Этот сдвиг пропорционален скорости движения объекта.

Виды допплерографических исследований: 1) непрерывный; 2) импульсный.

При первом – генерация ультразвуковых волн осуществляется непрерывно одним пьезокристаллическим элементом, а регистрация отраженных волн другим. В электронном блоке прибора производится сравнение двух частот ультразвуковых колебаний: направленных на объект и отраженных. По сдвигу частот этих колебаний судят о скорости движения анатомических структур. Недостатком этого метода является то, что он определяет суммарную скорость движения объектов, встречающихся на пути падающей ультразвуковой волны. От этого недостатка свободна импульсная доплерография. Этот метод позволяет измерить скорость в заданном участ-

58

ке объекта. Размеры заданного участка невелики – несколько миллиметров в диаметре, а его положение выбирается произвольно в соответствии с конкретной задачей исследования. Используется для изучения кровотока. Результаты могут быть представлены:

1)в виде количественных показателей скорости кровотока;

2)в виде кривых;

3)аудиально, т. е. тональными сигналами на звуковом выходе. Цветное сканирование. Наибольшими возможностями отли-

чаются установки для двухмерной доплерографии в реальном времени. Они обеспечивают выполнение особой методики, которая получила название ангиография. В этих установках путем сложных электронных преобразований добиваются визуализации кровотока в сосудах и в камерах сердца. При этом кровь, движущаяся к датчику, окрашена в красный цвет, а от датчика – в синий. Интенсивность цвета возрастает с увеличением скорости кровотока.

Одним из последних достижений в области цветового допплеровского картирования (ЦДК) является ЦДК в энергетическом ре-

жиме. Энергетический допплер (power doppler) – качественная оценка низкоскоростного кровотока, применяется при исследовании сети мелких сосудов (щитовидная железа, почки, яичник), вен (печень, яички) и др. Более чувствителен к наличию кровотока, чем цветовой допплер. На эхограмме обычно отображается в оранжевой палитре, более яркие оттенки свидетельствуют о большей скорости кровотока. Главный недостаток – отсутствие информации о направлении кровотока. Использование энергетического допплера в трехмерном режиме позволяет судить о пространственной структуре кровотока в области сканирования (рис. 2.11, 2.12).

Возможности современных спектральных и цветовых допплеровских режимов реализованы еще в одной новой технологии, которая получила название допплеровской визуализации тканей

(Doppler Tissue Imaging, DTI). Основная область применения дан-

ной технологии — эхокардиография (для оценки, в том числе и количественной, движения миокарда).

Особое значение в последние годы приобретает сочетание сонографии и доплерографии. При ней получают как изображение

59

сосудов, так и запись кривой кровотока в них. Допплеровское исследование позволяет определять как непосредственное значение линейной скорости кровотока, так и соотношение между скоростью кровотока в разные фазы сердечного цикла, т. е. получать анатомическую и физиологическую информацию. Возникает возможность прямого неинвазионного исследования для диагностики окклюзионных поражений различных сосудов с одновременной оценкой кровотока в них.

Рис. 2.11. Цветовое допплеровское картирование печеночной вены

Существует аппаратно-программный комплекс (Live 3D), позволяющий проводить трехмерное УЗИ в режиме реального времени (4D УЗИ). Появились новые функциональные возможности: использование объемных (3D) датчиков; получение любого среза в каждой из 3 проекций; получение трехмерных изображений в режиме серой шкалы, цветного и энергетического допплера; фоторежим; измерения в объемном режиме; автоматическое вычисление объема структур сложной формы.

60