Режим второй гармоники без контрастного средства в эхокардиографии
В обычной (фундаментальной) ультразвуковой диагностике датчики могли воспринимать только ту частоту, которую сами же и испускали. Однако во время каждого ультразвукового исследования возникают дополнительные частоты, которые равны удвоенной частоте испущенного сигнала и могут быть проанализированы только в режиме использования второй гармоники (Harmonic Imaging).
В этом режиме происходит облучение волнами с обычными частотами и мощностью, однако обрабатываются только сигналы, чья частота в два раза выше исходной частоты. Использование второй гармоники является, вероятно, важнейшим техническим усовершенствованием за последние 10 лет (10). Последствия коснулись как нативной ЭхоКГ (режим тканевой гармоники, Tissue Harmonic Imaging), так и контрастной ЭхоКГ. Сегодня имеется уже целый ряд методик, которые используют принцип второй гармоники, но в связи с техническими различиями служат для разных целей. Ниже кратко представлены технические основы этих различных методик, насколько понимание этого требуется в эхокардиографической практике. Затем представлены показания, результаты в норме и ограничения методик.
По поводу конкретных заболеваний и применений приводятся ссылки на соответствующие статьи на сайте.
Принцип гармонического воспроизведения изображения. В ткани после облучения ультразвуком с основной частотой f возникают множители этой частоты (2f, 3f,... nf), для режима Harmonic Imaging в качестве воспринимаемой частоты используется удвоенная основная частота (2f).
Нелинейное распространение ультразвука в тканях: искажение синусоидальной ультразвуковой волны при нарастании глубины проникновения в ткань с появлением гармонических частот.
а) Возникновение гармонических колебаний при нелинейном распространении волны в ткани:
1. Сжатие и расширение. До сих пор мы исходили из линейного распространения звука в тканях. Это означает, что синусоидальные ультразвуковые колебания проводятся в тканях без искажения, а отраженные ультразвуковые волны имеют ту же частоту, что и испущенные из датчика колебания. Однако новые исследования показали, что волны распространяются в тканях нелинейно. Скорость распространения колебаний, кроме прочего, зависит от плотности облучаемого материала. Во время фазы сжатия звуковой волны ткань становится плотнее, следовательно, ультразвуковые волны движутся через ткань быстрее, чем во время фазы расширения. Те компоненты волны, которые соответствуют фазе сжатия, так сказать, «обгоняют» компоненты более медленной фазы расширения.
2. Гармонические частоты. Поэтому с увеличением расстояния от датчика усиливается искажение исходно синусоидальных ультразвуковых волн. Поскольку каждое несинусоидное, регулярное колебание состоит из множества синусоидальных колебаний, ультразвуковые колебания на определенном расстоянии от датчика можно рассматривать как смесь различных синусоидальных колебаний. Это колебания основной частоты, а также кратных значений этой основной частоты - 2-я, 3-я, 4-я и т.д. гармоники. Для возникновения этого эффекта необходимо определенное пройденное расстояние в ткани, а также минимальный уровень излучаемой ультразвуковой энергии. Принципиально во всех диагностических ультразвуковых методиках - в том числе и в рамках традиционной ультразвуковой диагностики - возникают гармонические частоты, которые, однако, не могут быть использованы обычными ультразвуковыми аппаратами.
3. Пульс-инвертированная методика. При пульс-инвертированной методике также порождаются гармонические частоты. В этом случае для каждой сканирующей линии испускаются поочередно смещенные точно на 180° синусоидальные импульсы. Во время приема суммируются два последовательных импульса. При линейном распространении ультразвука сумма двух импульсов равнялась бы нулю, тем самым сигнал от ткани не возникал бы. Однако по причине нелинейного распространения сигнала в теле пациента оба импульса имеют несинусоидную форму и их сумма создает сигнал, содержащий гармонические частоты, отличающиеся от исходной частоты. Как и в случае режима тканевой гармоники, здесь для построения двумерной эхокардиограммы используются только колебания второй гармоники.
Ультразвуковое поле эхокардиографического датчика: с увеличением глубины проникновения доля второй гармонической частоты (красный цвет) возрастает.
Возникновение гармонических частот в пульс-инвертированной методике:
а - При линейном распространении звука сумма парных пульсовых волн равна нулю (слева).
б - При нелинейном распространении возникает асимметрия пульсовых волн, поэтому при их сумме наряду с основной частотой получаются и гармонические частоты.
Артефакты реверберации: а - Возникновение реверберации.
Артефакты реверберации: б - Их исключение при помощи избирательной регистрации только гармонической частоты.
Сравнение методик при записи ЭхоКГ из парастернального доступа по длинной оси:
а - Классическая ЭхоКГ.
б - Режим второй гармоники.
в - Пульс-инвертированная методика.
б) Улучшение качества изображения при помощи колебаний второй гармоники:
1. Артефакты в ближнем поле. Использование колебаний второй гармоники привело к значительному улучшению качества изображения. Контуры эндокарда стали более четкими, артефакты подавляются. Шумовые артефакты и помехи возникают преимущественно в ближнем поле и влияют на качество изображения более глубоко находящихся структур. Названные артефакты основываются на эффекте рассеивания в ближнем поле и на повторяющихся эхо между поверхностью кожи и ребрами. В результате артефактные сигналы появляются на более глубоких слоях изображения. Поскольку для возникновения гармонических частот требуется определенная глубина, то помехи в ближнем поле содержат преимущественно исходную частоту. Гармонические колебания не участвуют в этих артефактах. Если возвратившийся сигнал пропускается через «гармонический фильтр» и исходная частота подавляется, то исчезают и эти артефакты, и качество изображения улучшается.
После прохождения через ближнее поле ультразвуковой луч лучше фокусируется. По причине зависимости возникновения гармонических частот от локальной звуковой энергии в фокусной области создаются более благоприятные условия для возникновения гармонических частот. Благодаря более однообразным характеристикам тканей на большей глубине проникновения возникает гораздо меньше артефактов рассеивания, чем в ближнем поле. В результате ультразвуковой луч сохраняет свой профиль и свою фокусировку. Для возникновения нелинейных эффектов размножения колебаний в ультразвуковом поле требуется, вероятно, определенный уровень испускаемой энергии. До сих пор влияние энергии испускаемого сигнала не было систематически изучено, однако лучшие клинические результаты были получены при более высоких энергиях сигнала.
2. Артефакты боковых лепестков. Другим обоснованием улучшения качества изображения в режиме тканевой гармоники является уменьшение артефактов боковых лепестков. Так как ультразвуковой луч наряду с основным конусом имеет так называемые побочные конусы (боковые лепестки), то акустически плотные структуры нередко проецируются и латеральнее их истинного положения. На ультразвуковом изображении артефакты боковых лепестков проецируются на той же глубине, но латеральнее от исходных структур. В связи с этими артефактами затруднено отчетливое контурирование пограничных поверхностей, таких как эндокард. Поскольку ультразвуковая энергия в боковых лепестках существенно ниже, то значительно меньшее количество энергии переносится из основной частоты в гармоническую. Нередко артефакты боковых лепестков полностью исчезают в режиме тканевой гармоники.
Особенно от элиминации боковых лепестков (side lobes) выигрывает отображение эндокарда.
в) Техника исследования и показания для режима тканевой гармоники и пульс-инвертированной методики. Сегодня уже все производители предлагают приборы, позволяющие проводить исследование в режиме второй гармоники. Для кардиологических приложений исходные частоты находятся в диапазоне между 1,6 и 2,1 МГц, а воспринимаемые частоты - в диапазоне между 3,2 и 4,2 МГц. Возникновение гармонических частот и, соответственно, качество изображения тем лучше, чем выше энергия испускаемого ультразвука. Этот параметр на большинстве приборов обозначается как механический индекс и обычно превышает 0,8. Во всем остальном настройки прибора и ход исследования соответствуют таковым при традиционной двумерной ЭхоКГ (основные частоты).
Если прибор оснащен режимом второй гармоники, то его следует использовать для двумерной ЭхоКГ у всех пациентов. На сегодняшний день это требование убедительно доказано в целом ряде клинических исследований. Хотя преимущества режима второй гармоники по сравнению с традиционной ЭхоКГ до сих пор были показаны преимущественно на пациентах с плохим эходоступом, однако у пациентов с хорошим эходоступом можно достичь еще более высокого качества изображения. Пульс-инвертированная методика по сравнению с режимом тканевой гармоники имеет, несомненно, лучшее разрешение и позволяет еще более усовершенствовать исследование у пациентов, у которых, несмотря на режим тканевой гармоники, качество изображения остается на неудовлетворительном уровне.
г) Ограничения в ближнем и дальнем поле. Поскольку диагностически пригодные гармонические колебания возникают, начиная с глубины проникновения 3 см, то визуализация границ структур, расположенных близко к датчику, затруднена. Производители оборудования частично решают эту проблему при помощи неполного подавления сигналов основной частоты в ближнем поле. Тем не менее при попытке усиления слабых эхо-сигналов из ближнего поля могут возникать артефакты, которые сложно отличить от тромботических масс. Здесь может помочь только (если в приборе имеется такая возможность) использование более высокой основной частоты или введение ультразвукового контрастного средства. Диагностика очень глубоко расположенных структур также ограничена. Хотя с увеличением глубины проникновения доля гармонических частот нарастает, но по причине их более высокой частоты эти гармонические колебания гораздо больше ослабляются при прохождении через ткани, чем основная частота.
