Физика ультразвука
Данный раздел имеет научно-популярный характер информации и создан для тех, кто проявляет интерес к базовым техническим вещам в данной сфере. Ультразвуком называются акустические колебания, частотой выше 20 000 Гц (20 000 раз в секунду). Скорость распространения их в мягких тканях человека в среднем составляет 1540 м/с (Она может варьироваться в зависимости от типа ткани: чем более мягкая и вязкая - медленнее, плотная и твёрдая - быстрее). В живой природе их могут испускать и слышать, например летучие мыши. Человеческому уху ультразвук не слышен, лишь совсем небольшой процент людей способны его почувствовать. В узи сканерах обычно используется диапазон частот 1-20 МГц (колебания 1 000 000 - 20 000 000 раз в секунду), хотя в некоторых специализированных приборах для исследования кожных покровов максимальное значение частоты может достигать 200 МГц. Принцип работы любого узи сканера основан на том, что ультразвук хорошо и без вреда проникает в мягкие ткани человека и по пути своего следования отражается обратно от различных структур. Это отражение фиксирует прибор и строит на основе него картинку (эхограмму).
Чем выше частота ультразвукового излучения, тем более высокую продольную разрешающую способность можно получить (то есть разглядеть более мелкие детали), но здесь есть ограничение: вместе с ростом излучаемой частоты резко уменьшается глубина проникновения ультразвука. Например: конвексный датчик с диапазоном рабочих частот 2-6 МГц может давать качественное изображение на глубине до 20-30 см в теле пациента, а вот уже линейный датчик 8-13 МГц может «видеть» не глубже 7 см.
Что касается поперечной разрешающей способности, то она всегда хуже, чем продольная у обычных двумерных узи датчиков. Для её улучшения делают выпуклости на поверхности акустической линзы. Чтобы полностью решить проблему с поперечной фокусировкой необходимо использовать матричные датчики. В них пьезоэлементы располагаются в виде двумерной решетки. Единственным недостатком матричных датчиков является дороговизна, но не стоит брать данный тип датчиков, как эталон качества. Вполне успешно можно работать и обычными датчиками. Матричный датчик визуализирует конечно лучше обычного, но разница отнюдь не колоссальная (около 10-20%). Если требуется такой специфичный режим работы, как трёхмерная эхокардиография, то тут уже без матричного датчика не обойтись.
Помимо обычных продольных ультразвуковых волн, про которые шла речь выше, существуют ещё и сдвиговые волны, которые являются порождением первых по мере прохождения волны вглубь исследуемого объекта. Сдвиговая волна всегда распространяется перпендикулярно по направлению продвижения продольных и имеет скорость всего несколько метров в секунду, по сравнению с продольной (1540 м/c). Вычисляя параметры сдвиговой волны можно количественно вычислить жесткость и вязкость мягких тканей, что является очень полезным инструментом в диагностике онкологии и состоянии печени. По английскому данная технология называется Shear Wave и частично может заменять болезненный процесс забора пункции у пациента, а также позволяет диагностировать стеатоз, стеатогепатит, фиброз и цирроз печени.
В случае если звуковая волна отражается/испускается от движущихся объектов, например от машины скорой помощи, то возникает так называемый эффект Доплера. Когда машина едет на нас, то мы слышим тон звука сирены выше, чем он находится в покое, а если машина уже проехала мимо нас и удаляется, то тон сирены слышится ниже. В этом процессе меняется частота звука в зависимости от направления движения исследуемого объекта. В нашем случае движется кровь по сосудам пациента или ткани миокарда. Благодаря эффекту доплера мы можем очень точно измерить кровоток на узи аппарате, вычислить синхронно ли двигаются все участки тканей миокарда у пациента. Таким образом можно выявить бляшки в сосудах или диагностировать сердечные патологии задолго до их клинического проявления, и это далеко не все возможности диагностики данной технологии.
Ультразвуковые волны имеют свойство затухать по мере своего распространения и степень их ослабевания зависит как от свойств среды, так и от свойств самих волн. Чем более твёрдая, однородная, не вязкая среда, тем глубже ультразвук может проникнуть. Чем выше частота ультразвуковой волны, тем быстрее она затухает и наоборот, чем ниже частота, тем глубже может проникнуть. На графике представлено затухание ультразвуковых волн в Децибел на сантиметр, в зависимости от их частоты.
Вроде бы выгоднее всегда использовать низкую частоту, но тут встаёт на пути разрешающая способность. Чем ниже частота, тем она хуже и некоторые мелкие детали уже становится невозможным различить. Высокая частота даёт наилучшую разрешающую способность, но увы довольно быстро затухает. В связи с этим производители ультразвуковых сканеров вынуждены производить множество ультразвуковых датчиков с разными характеристиками под каждую конкретную медицинскую задачу. Универсальных решений тут, к сожалению, нет, но имеется возможность частично выйти из ситуации используя переключаемые частотные диапазоны у датчиков. Например у одного линейного датчика могут быть переключаемые частоты 4 Мгц, 6 Мгц, 8 МГц, 10 Мгц, чем более высокотехнологичный датчик, тем этот диапазон шире.
Ниже представлена схема распространения слева-направо ультразвукового луча от датчика. Синим цветом обозначен кристалл (пьезоэлементы) датчика, а далее от красного к зелёному его путь. Желтым цветом в самом узком месте обозначен фокус. Ультразвуковые волны могут быть сфокусированы в одной точке, подобно тому, как это делают при выжигании по дереву посредством фокусирования солнечных лучей через стеклянную лупу. В случае ультразвукового исследования никакого выжигания не происходит в следствии очень малой мощности, а вот толщина ультразвукового луча сильно уменьшается, что позволяет получить более высокую разрешающую способность в данной точке. В ультразвуковых сканерах можно ставить несколько фокальных зон на одной эхограмме, а также перемещать их положение в зону интереса.
На текущий момент в мире не существует научных работ, доказывающих реальный вред ультразвукового исследования пациенту, но есть случаи, когда рекомендуют соблюдать осторожность. При длительных исследованиях на максимальной мощности излучения, в редких случаях может начинаться процесс кавитации. Кавитация - процесс, связанный с образованием и ростом газовых пузырьков в жидкости и возникающий под действием ультразвуковых волн. В биологических тканях всегда существуют микропузырьки газа и газ, растворенный в жидких средах, входящих в состав мягких тканей. Ультразвуковые волны, которые представляют собой чередование сжатия и разрежения в среде, провоцируют рост этих пузырьков. Прежде всего рост объема пузырька связан с полуволной разрежения (пониженного давления), при которой растворенный газ за счет диффузии переходит в полость пузырька из окружающей жидкой среды. Процесс роста пузырьков называется стабильной кавитацией. При достижении пузырьком определенных размеров под воздействием полуволны сжатия может произойти коллапс - «схлопывание» пузырька, что сопровождается появлением ударных волн и повышением температуры. Коллапсирующая кавитация может явиться причиной разрушения клеток вследствие повреждения мембран. Однако при малых уровнях мощности, используемых в ультразвуке, коллапсирующая кавитация практически полностью отсутствует.
