МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Кардиология:
Кардиология
Основы кардиологии
Аритмии сердца
Артериальная гипертензия - гипертония
ВСД. Нейроциркуляторная дистония
Детская кардиология
Сердечная недостаточность
Инфаркт миокарда
Ишемическая болезнь сердца
Инфекционные болезни сердца
Кардиомиопатии
Болезни перикарда
Фонокардиография - ФКГ
Электрокардиография - ЭКГ
ЭхоКС (ЭхоКГ, УЗИ сердца)
Бесплатно книги по кардиологии
Пороки сердца:
Врожденные пороки сердца
Приобретенные пороки сердца
Форум
 

Физические принципы эхокардиографии (ЭхоКГ)

Принцип ЭхоКГ заключается в анализе отраженных ультразвуковых волн. Принципиально можно представить себе и другие способы диагностического использования ультразвука, например, в начале 1950-х годов был испробован, но впоследствии заброшен трансмиссивный ультразвуковой метод, при котором исследуемая структура, например, сердце, помещалась между излучающей и принимающей частями аппарата, аналогично рентгенографии.

а) Измерение времени распространения. Способность ЭхоКГ (точнее: М-режима и 2D-режима) к морфологической диагностике основывается на определении мест акустических границ при помощи измерения времени распространения ультразвуковых волн. Для этого необходимо, чтобы фазы излучения и приема сигналов были разнесены во времени и имели подходящую длительность. Если бы излучение и прием ультразвуковых волн происходили постоянно, невозможно было бы определить время движения волны от места отражения (так на самом деле и происходит в случае непрерывноволнового допплера).

Поэтому формирование эхокардиографического изображения основано на принципе импульсного ультразвука: менее чем за 1% времени датчик посылает «импульс» или «пакет волн» конечной длины, тогда как остальные 99% времени он находится в режиме приема. Чтобы иметь возможность однозначно определить, из какой глубины возвратился воспринятый датчиком пакет волн, датчик должен находиться в режиме восприятия как минимум в два раза дольше, чем время распространения волны от датчика до рефлектора. Например, если в М-режиме максимальная глубина проникновения волны составляет 20 см, время ожидания должно принципиально составлять не менее 2x20 см/1540 м/с = 0,26 мс, чтобы можно было однозначно определить положение отражателя на этой глубине.

Физические принципы эхокардиографии (ЭхоКГ)
Распространение импульса ультразвуковой волны.
Только «импульсный» режим работы датчика позволяет находить соответствие между воспринятыми волнами и глубиной залегания отражателя, что определяется временем распространения волны.
Импульс Р, т.е. пакет волн, образующийся при кратковременной активации датчика, через некоторое время Т возвращается к датчику в виде эховолны Е.
На основании этих данных при известной скорости распространения волны с рассчитывается расстояние до отражающей поверхности (в данном случае - правая стенка емкости с жидкостью): с × Т/2 (по 36).
Физические принципы эхокардиографии (ЭхоКГ)
Ультразвуковой импульс (2,24 МГц). По оси ординат (у) давление, по оси абсцисс (х) - время (две клеточки соответствуют 1 мкс) (по 20).

б) Частота повторения импульсов. Число пакетов волн, испускаемых прибором в единицу времени, называется частотой повторения импульсов. Не следует путать ее с основной частотой ультразвуковой волны (например, 2,5 МГц). Таким образом, в вышеназванном примере уже чисто «физические причины» определяют максимальную частоту повторения импульсов: 1/0,26 мс = 3846/с (почти 4 кГц). Поскольку сам пакет волн имеет определенную длительность и имеются еще некоторые технические задержки, то рассчитанная величина является теоретическим лимитом. Хотя понятие о частоте повторения импульсов обычно встречается в связи с импульсным или цветовым допплером (см. соответствующие разделы), важно понимать, что и «морфологические» методики также работают в импульсном режиме.

в) Получение морфологических данных. Обычные эхокардиографические сканеры испускают и принимают сигнал при помощи специальной ультразвуковой головки, которая при помощи кабеля соединена с остальным прибором. В принципе датчик состоит из пьезоэлектрических кристаллов, акустическая эмиссия которых стимулируется электрическими импульсами и, наоборот, которые при получении ультразвуковой волны сами генерируют электрические импульсы. Между кристаллом и обращенной к пациенту поверхностью датчика находится акустическая линза для фокусирования создаваемых волн. На противоположной стороне электрические сигналы каждого отдельного кристалла, выработанные при получении ультразвуковых волн, передаются в собственно ультразвуковой аппарат в виде «сырого» или «радиочастотного» сигнала (немного неточное техническое понятие, обозначающее электромагнитные волны в диапазоне частот от килогерц до гигагерц). В аппарате определяется положительная огибающая кривая («envelope») сигнала, фильтруется, преобразуется («scanconversion», см. ниже) и подвергается последующей обработке.

P.S. В отечественной практике и русскоязычной литературе приняты два обозначения «манипулятора» ультразвукового сканера: «датчик» и «трансдьюсер». В дальнейшем преимущественно будет использоваться первый вариант, хотя УЗ-датчик как воспринимает сигнал, так и излучает его.

1. Принцип фазированной решетки. Участвующие в построении изображения (трансторакальные и трансэзофагеальные) датчики сегодня работают преимущественно по «электронному» принципу (принцип фазированной решетки). При этом обычно параллельно располагаются 64-256 прямоугольных отдельных кристаллов. Благодаря строгой очередности активизации отдельных кристаллов из отдельных волн получается единый направленный волновой фронт, т.е. благодаря соответствующей активизации итоговый луч может отклоняться в пределах определенного сектора (обычно <90°) и колебаться в этом секторе. При этом в каждой позиции ультразвукового луча («линии сканирования») испускается один импульс и записывается приходящее эхо, до того как луч переместится в следующую позицию.

2. Частота кадров. Поскольку образование одного изображения при помощи (электронного или механического) «колебания» ультразвукового луча в секторе приблизительно 90° требует определенного времени, обычно частота генерирования кадров составляет 20-30 Гц. Конечно, современные полностью электронные датчики благодаря параллельной обработке данных на принимающей стороне могут значительно повысить эту частоту, так что для ширины сектора 30-60° она может подниматься выше 100 кадров/с. Так как человеческий глаз не может отследить такую частоту в реальном времени, для более точного обследования последовательность картинок просматривается во «временной лупе», т.е. с более низкой частотой кадров, например, 30 кадров/с.

3. Другие технические варианты датчиков. Наряду с вышеописанной техникой фазированной решетки еще существуют механические головки, в которых механически колеблется один-единственный кристалл. Наконец, для непрерывноволнового допплеровского сканирования применяются специальные датчики с очень малой рабочей поверхностью, чтобы использовать даже узкое интеркостальное или югулярное эхо-окно для непрерывноволнового допплера. Эти датчики (не позволяющие исследование в М- и В-режимах) имеют только два элемента (пьезоэлектрических кристалла), из которых один постоянно излучает, а второй постоянно принимает сигналы.

Физические принципы эхокардиографии (ЭхоКГ)
Схема обработки эхокардиографических данных. Исходные данные усиливаются, определяется огибающая кривая, данные преобразуются и, наконец, появляются на мониторе (по 20).
Физические принципы эхокардиографии (ЭхоКГ)
Схема строения датчика с фазированной решеткой. Отдельные горизонтальные элементы ширины w расположены в стопку друг над другом (по 20).
Физические принципы эхокардиографии (ЭхоКГ)
Принцип двумерной ЭхоКГ (В-режим). Благодаря быстрому созданию и перемещению ультразвуковых лучей получается срез тканей сердца в рамках конического сектора.

- Также рекомендуем "Режимы эхокардиографии (виды изображений ЭхоКГ)"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 15.12.2019

Медунивер - поиск Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Мы в Instagram Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.