199178, г. Санкт-Петербург,
наб. реки Смоленки, д. 33

Теория ультразвука

Если речь идет о техническом обслуживании, ремонте или работе на ультразвуковом оборудовании, в первую очередь необходимо понимать физические основы процессов, с которыми придется иметь дело.

 

Здесь есть очень много нюансов и тонкостей, но разбираться в них просто необходимо, поэтому мы подготовили для Вас материалы по самым важным аспектам ультразвуковых исследований:

Режимы УЗИ на основе эффекта Доплера

Доплерография — методика ультразвукового исследования, которая основывается на использовании эффекта Доплера. Суть эффекта — состоит в том, что от движущихся объектов ультразвуковые волны отражаются уже с измененной частотой. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости движения исследуемых структур — если движение направлено в сторону датчика, то частота увеличивается, если от датчика — уменьшается.

Основные виды доплера:

CFI (Color dopler/CF/CFM/ЦДК/Цветное доплеровское картирование)

PW (CPA/Power/Energy/Amplitude Flow/Импульсный доплер/Спектральный доплер)

PDI (Power Doppler/Energy Doppler/ Amplitude Doppler/ Doppler Angiography/Энергетический доплер/ЭДК)

CW (Постоянно волновой доплер/Continuous Wave Doppler/Непрерывный доплер)

TDI (TSI/Тканевый доплер)

CFI (Color dopler) может использоваться для:

—       идентифицирования сосудов, требующих исследования;

—       для идентифицирования наличия и направления потока;

—       для подсвечивания грубых аномалий циркуляции по всему изображению;

—       для обеспечения коррекции угла пучок/поток для измерений скорости.

Поскольку ЦДК (CFI) обеспечивает ограниченным количеством информации на большой области, а спектральный доплер предоставляет более детальную информацию о небольшой области, оба режима дополняют друг друга и на практике используются вместе.

Импульсный (спектральный) доплер (PW) используется для обеспечения анализа потока в конкретных объектах внутри исследуемого сосуда. Когда используется ЦДК с импульсным доплером (PW), ЦДК/B-режимное (CFI/B-mode) изображение заморожено пока импульсный доплер активирован. Недавно некоторые компании произвели системы способные выводить ЦДК и импульсный доплер параллельно, эта возможность иногда называется триплексным сканированием (triplex scanning).

Постоянно волновой доплер (CW), позволяет измерять скорость потоков крови вдоль всей линии проникновения луча. В этом режиме датчик работает непрерывно, в отличие от других режимов ультразвукового исследования, одна половина кристаллов датчика работает на передачу сигнала, а вторая – на прием. Поэтому, в этом режиме, можно измерять потоки с очень высокими скоростями, которые не получится точно измерить с помощью импульсного доплера. Недостатком режима является то, что мы не можем определить из какой точки линии распространения луча получены данные о скорости потока, поэтому этот режим практически всегда используется в комбинации с импульсным доплером. Для работы CW-доплера требуется отдельная электронная плата в УЗИ-системе, также, далеко не все датчики способны работать в этом режиме, и от датчика требуется максимальной производительность, вследствие чего происходит нагрев сканирующей головки.

Когда эти режимы (B, CFI, PW) используются одновременно, эффективность каждого снижается, потому что элементы датчика используются в трех режимах (B-режиме, ЦДК и режиме импульсного доплера), частота кадров снижается, область ЦДК уменьшается и доступная PRF снижается также, приводя к увеличенной восприимчивости к алиасингу — эффекту, приводящему к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов.

Энергетический доплер (Power Doppler/ Energy Doppler/PDI) также называют амплитудным доплером (Amplitude Doppler) и доплеровской ангиографией (Doppler Angiography). Величина выхода цветного потока отображается лучше, чем сигнал доплеровской частоты. Энергетический доплер не показывает направление потока или разные скорости. Он часто используется с усреднением кадров для увеличения чувствительности к низким потокам и скоростям. Он дополняет два других режима.

Также у некоторых производителей доступны гибридные цветные режимы, включающие амплитудные(мощностные) и скоростные данные. Они также могут иметь улучшенную чувствительность к низким потокам. Далее приводится краткое изложение факторов, влияющих на изображение в каждом режиме. Большинство факторов устанавливаются приблизительно для каждого режима, когда выбирается пресет (application), хотя оператор будет обычно изменять многие из них для оптимизации качества изображения.

 

Режимы визуализации потока

Спектральный доплер(PW. Spectal)

— Исследование потока в конкретном месте

— Детализированный анализ распространения потока

— Хорошее временное разрешение – можно исследовать график изменения скорости потока

— Позволяет измерять скорость и индексы

ЦДК (CFI, CFM, CF, Color)

— Общее представление потока на всей области

— Ограниченная информация о потоке

— Плохое временное разрешение/динамика потока (частота кадров может быть низкой, когда производится глубокое сканирование)

— Цветная карта потока (различные карты)

— Информация о направлении

— Информация о скорости (высокая и низкая скорости)

— Турбулентные потоки

 

ЭДК (PDI, CPA, Power/Energy/Amplitude Flow)

— Чувствительность к слабым потокам

— Отсутствие информации о направленности в некоторых режимах

— Очень плохое временное разрешение

— Восприимчивость к шуму

— Возможность построения 3D изображений

 

Тканевый доплер (TDI, TSI)

Данный режим не относится к доплеровским режимам исследования потока. Он позволяет визуализировать перемещение тканей, в основном используется для оценки функции миокарда. Режим похож для пользователя на режим импульсного доплера, но вместо скорости потока крови, в нем измеряется скорость движения тканей, при этом сигналы от сосудов отбрасываются. Часто имеется возможность строить графики не только скорости, но и других измеряемых величин в реальном времени.

Режим доплеровского цветного картирования (ЦДК)

Другие названия режима: CFM (Color Flow Mode), CF (Color Flow), CDM (Color Doppler Mode), Color

Этот режим показывает направление потока, средние значения скорости и позволяет различить небольшие сосуды, незаметные в B-режиме.

Режим ЦДК обеспечивает визуальный обзор в пределах сосуда или кардиологической структуры интереса. Направление потока и скорость могут быть представлены красным или синим цветовыми спектрами и могут использоваться для  размещения объема пробы (sample volume) в режиме импульсного доплера. Эта техника обеспечивает быструю идентификацию сосудов, клапанов, представляющих интерес, а также соответствующие скорости потока. Способность количественно измерить скорость потока, значительно увеличивает уверенность в идентификации сосудов. Чувствительность режима может быть предустановленна для различных областей исследования, таких как сердце, сонная артерия, почки или небольшие сосуды, такие как дугообразные и артерии бедренной кости. 

 

ЦДК создает карту с цветным кодированием доплеровских сдвигов, наложенную на изображение в B-режиме. Хотя ЦДК использует импульсный ультразвук, его обработка отличается от того, что используется при создании доплеровской спектрограммы (sonogram). ЦКД может создавать несколько тысяч цветных точек об информации потока для каждого кадра, наложенных на изображение B-режима. ЦДК использует меньшее количество более коротких импульсов вдоль каждой лини цветной развертки изображения, чтобы получить среднее значение частотного сдвига и дисперсию на каждой небольшой области измерения. Этот частотный сдвиг отображается в виде цветного пикселя. Сканер затем повторяет это для нескольких линий, чтобы построить цветное изображение, наложенное на изображение в B-режиме. Элементы датчика быстро переключаются между B-режимом и ЦДК, чтобы произвести впечатление цельного единовременного изображения. Импульсы, используемые в ЦДК, обычно в 3-4 раза длиннее, чем для B-режима с соответствующим уменьшением осевого разрешения (axial resolution).

Назначение цвета каждому частотному сдвигу обычно основано на направлении (например, красный — для доплеровского сдвига по направлению к УЗ-пучку и синий – для сдвигов, удаляющихся от него) и величина (различные цветные оттенки или более яркие для сдвигов с большей частотой). Изображение в ЦДК зависит от основных факторов Доплеровского…, в частности это необходимость хорошего угла пучок/поток. Конвексные и фазовые датчики имеют расходящийся ультразвуковой пучок, который может создавать сложные ЦДК-изображения, зависимые от ориентации артерий и вен. В практике, опытный оператор изменяет подход при сканировании, чтобы добиться хороших улов вхождения ультразвука, с тем, чтобы достигнуть недвусмысленность изображения потока.

Факторы, влияющие на изображение в режиме ЦДК

Главные факторы

Мощность (Power): направленная в ткани мощность

Усиление (Gain): общая чувствительность к сигналам о потоке

Частота (Frequency): улучшение проникновения для большей чувствительности и разрешения

PRF (scale): низкая PRF для исследования низких скоростей, высокая PRF уменьшает алиасинг

Область исследования: увеличение области уменьшает частоту кадров

Фокус: оптимизация ЦДК-изображения для фокальной зоны

Другие факторы

Триплексное сканирование: PRF и частота кадров уменьшаются из-за дополнительного отображения B-режима/спектрального

Постоянство (Persistence): высокое постоянство позволяет получить более гладкое изображение, но снижает временное разрешение

Предобработка(Pre-processing): увеличение разрешения / частоты кадров

Фильтр: высокие значения фильтра обрезают больше шума, но также и больше сигнала о потоке

Постобработка(Post-processing): присваивает цветную карту/дисперсию 

(1)   Мощность и усиление (Power and Gain): ЦДК использует большую интенсивность излучения, чем B-режим. Следует внимательно следить за индексами безопасности (safety indices). Мощность и усиление должны быть установлены, чтобы получить хороший сигнал о потоке и минимизировать сигналы от окружающих тканей.

Установка цветного усиления (color gain) для минимизации сигналов (артефактов) от окружающих тканей, на левом изображении color gain = 71, на правом – снижен до 35.

(2)  Выбор частоты: Многие комбинации сканер/датчик позволяют изменять частоту. Высокие частоты дают лучшую чувствительность к низкому потоку и лучшее пространственное разрешение. Низкие частоты имеют лучшую проникающую способность и меньшую восприимчивость к алиасингу на высоких скоростях.

(3)  Скоростная шкала/PRF: низкие PRF должны использоваться для исследований низких скоростей, но может проявляться алиасинг, если встретится высокоскоростной поток.

(4)  Область интереса: Поскольку для визуализации потока требуется больше импульсов, чем для B-режима. Уменьшение ширины и максимальной глубины области ЦДК, обычно увеличивает частоту кадров и может позволить более высокую плотность сканирования цветной линии с улучшенным пространственным разрешением.

(5)  Фокус: Фокус должен быть на уровне зоны интереса. Это может произвести значительные изменения во внешнем виде и точности изображения. 

Установка фокуса на область интереса, можно также использовать несколько фокальных зон.

В практике, оператор будет пробовать большое количество изменений настроек и различные положения датчика, чтобы оптимизировать изображение.

ЦДК: методические рекомендации:

(1)  Выберите подходящий пресет (preset/application). Он оптимизирует параметры для специфических исследований.

(2)  Установите мощность в необходимых пределах. Настройте цветное усиление (Color Gain). Убедитесь, что фокус находится в области зоны интереса и подстройте усиление, чтобы оптимизировать цветной сигнал.

(3)  Используйте позиционирование датчика/управление лучом (beam steering) для получения удовлетворительного угла пучок/сосуд

(4)  Настройте PRF/scale в соответствии с показателями потока. Низкие PRF более чувствительны к низким потокам/скоростям, но могут создавать алиасинг. Высокие PRF уменьшают алиасинг, но менее чувствительны к низким скоростям.

(5)  Установите надлежащие размеры области ЦДК. Меньшие размеры области ЦДК могут привести к лучшей частоте кадров и лучшему разрешению/чувствительности.

Спектральный или импульсный доплер (Spectral or Pulsed Wave Doppler)

Импульсный доплер используется для предоставления сонограммы исследования артерий или вен. Сонограмма отражает измерение изменяющейся скорости в течение кардиологического цикла и распределение скоростей в объеме пробы (sample volume / gate) Если сделана коррекция угла, то могут быть измерены абсолютные значения скоростей. Лучшего разрешения сонограммы удается добиться, когда изображения в B-режиме и ЦДК заморожены (frozen), позволяя всё эффективное время датчика задействовать для спектрального доплера. Если используется конкурентная визуализация в реальном времени в двух или трех режимах, временное разрешение сонограммы снижается.

Доплеровский спектр потока маточной артерии. (a) ЦДК изображение учитывает визуализацию угла пучок/поток. Сонограмма отражает высокие скорости в течение сердечного цикла, что свидетельствует о низком дистальном сопротивлении. (b) Сонограмма показывает пульсирующий поток с низкими диастолическими скоростями, это свидетельствует о большом дистальном сопротивлении

(b) – направление пучка доплера
(g) — контрольный объем (gate, sample probe)
(a) – коррекция угла (angle correction)

Сонограмма нисходящей аорты. С коррекцией угла пиковые скорости могут быть измерены.

                                   Установка контрольного объема

Факторы, влияющие на изображение в режиме спектрального доплера

(1)  Мощность и Усиление (Power and Gain): Импульсный доплер использует большую мощность, чем B-режим. Следует внимательно следить за индексами безопасности (safety indices). Мощность и усиление должны быть установлены, чтобы получить чистые сигналы.

(2)  Скоростная шкала (Velocity scale) / PRF: низкие значения PRF должны использоваться для исследований на низких скоростях, но может происходить алиасинг, если встретятся высокие скорости.

(3)  Размер контрольного объема (Gate size): При измерении потока нужно выбирать весь сосуд. В большой объем могут попасть сигналы от смежных сосудов.

Главные факторы

Мощность (Power): направленная в ткани мощность

Усиление (Gain): общая чувствительность к сигналам о потоке

PRF (scale): низкая PRF для исследования низких скоростей, высокая PRF уменьшает алиасинг

Размер контрольного объема (Gate size)

Управление лучом (beam steering) может улучшить угол луч/поток для лучшей точности вычисления скорости

Дуплексный/Триплексный режим: спектральное разрешение снижается из-за необходимости отдельных импульсов для B-режим/ЦДК

Другие факторы

Фильтр: Высокий фильтр обрезает большинство шумов, но также большую часть сигнала потока

Постобработка (Post-processing): назначает яркость выходным значениям

Пупочная артерия (красный) и вена (синий), контрольный объем включает оба сигнала (слева). Сонограмма пупочной артерии и вены (справа).

 Влияние размера контрольного объема. Объем спектрального доплера включает артерию и вену и сонограмма отражает поток от обоих сосудов. Вычисление средней скорости (стрелка) бессмысленно, так как скорости одного потока вычитаются из скоростей другого потока.

 Рекомендации для практического достижения хорошего качества изображений спектрального доплера:

(1)   Установите значение мощности в пределах фетального измерения

(2)   Установите позицию курсора импульсного доплера на сосуде, который собираетесь исследовать

(3)   Настройте усиление (Gain) так, чтобы сонограмма была ясно видима и свободна от шума

(4)   Изменяйте позиционирование датчика/наклон луча, чтобы получить удовлетворительный угол пучок/сосуд. Углы, близкие к 90 градусам будут давать неоднозначные/неясные значения. Угол должен быть 60 градусов или меньше, если должны быть произведены измерения скорости

(5)   Подстройте PRF/scale и базовую линию (baseline) для удовлетворения условиям потока. Сонограмма должна быть ясной и без алиасинга

(6)   Установите корректное значение контрольного объема. Подкорректируйте угол, для получения точных скоростей. Используйте B-режим и ЦДК сосуда, чтобы произвести коррекцию угла.