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