История вопроса использования ультразвука в медицине.



ГОУ ВПО «СтГМА»

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ 

ИНСТИТУТ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ФАКУЛЬТЕТ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ                                                                                     

 

КАФЕДРА КЛИНИЧЕСКОЙ ФИЗИОЛОГИИ, КАРДИОЛОГИИ С КУРСОМ ИНТРОСКОПИИ

 

 

Курс лекций

По специальности «Ультразвуковая диагностика».

Методическое пособие для врачей-курсантов, интернов и клинических ординаторов по специальностям терапия, общая врачебная практика, ультразвуковая диагностика

Ставрополь 2012

УДК

ББК

У

Курс лекций по специальности «Ультразвуковая диагностика». Методическое пособие - Ставрополь, Изд.: СтГМА, 2012. - 330с.

ISBN  

 

Составители: Н.Н. Павлюк, В.Г. Калашников.

Под редакцией профессора Г.Я. Хайта.

В методическом пособии изложены физические основы и общие методические принципы ультразвукового исследования и интерпретации эхограмм. В пособии представлены разделы, посвященные физическим принципам ультразвуковой диагностики и ультразвуковым диагностическим системам, ультразвуковой диагностике заболеваний печени, желчевыводящей системы, поджелудочной железы, почек, мочевого пузыря, предстательной железы, органов мошонки, органов эндокринной системы, лимфатической системы, молочной железы, матки и придатков, допплерографическому исследованию органов брюшной полости и забрюшинного пространства, малоинвазивным вмешательствам под контролем ультразвука, а так же ультразвуковому исследованию кожи, мышц и суставов.

Для врачей-курсантов, интернов и клинических ординаторов по специальностям терапия, общая врачебная практика,   ультразвуковая диагностика.

УДК

ББК

Рецензенты:

 

 

ISBN

                            © Ставропольская государственная                                                  медицинская академия, 2012.

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время ультразвуковая диагностика прочно занимает одно из ведущих мест во многих областях клинической медицины и является наиболее распространенным методом исследования. В экономически развитых странах более половины всех клинических инструментальных исследований производится с применением ультразвуковой аппаратуры.

По совокупности положительных характеристик с ультразвуковым трудно сравнить какой-либо другой диагностический метод, так как, вероятно, ни один не имеет такого сочетания достоинств: высокая информативность, безвредность и безопасность диагностической процедуры для врача и пациента, доступное по стоимости оборудование, небольшие затраты времени на проведение исследования, неинвазивность, простота методик и хорошая воспроизводимость результатов диагностики. Само исследование является настолько простым и необременительным для больного, что его нередко проводят в первую очередь, без учета и должного знания возможностей метода и его места в общей программе обследования больного.

Настоящее пособие должно систематизировать знания врачей клиницистов о ультразвуковой диагностике и стать настольным для специалиста ультразвукового исследования. Оно содержит сведения по теоретическим основам метода, принципам ультразвукового исследования и интерпретации эхограмм, исследованию органов гепатопанкреатодуоденальной системы, лимфатической системы, мочевыводящей системы, мужских и женских половых органов, органов эндокринной системы, молочной железы, кожи, мышц и суставов, а также малоинвазивным вмешательствам под контролем ультразвука и допплерографическому исследованию сосудов органов брюшной полости и забрюшинного пространства.

Пособие должно способствовать достижению конечной цели исследователей - получать единые в своей трактовке заключения и сравнимые данные, что соответствует современным подходам с позиции доказательной медицины. Это имеет особо важное значение, поскольку ультразвуковое исследование становится рутинным, и его данные используются не только чисто диагностически, но и в качестве контроля за динамикой процесса, и в оценке эффективности проводимого лечения.

Авторы надеются, что выход в свет настоящего пособия должен послужить более успешному внедрению метода ультразвукового исследования в клиническую практику, повысив возможности диагностики как врача общего профиля, так и исследователя, владеющего методом ультразвуковой диагностики, а также с благодарностью примут все замечания, которые послужат улучшению качества настоящего пособия.

Раздел  1. Физические основы ультразвука.

1.1. ТЕМА: Основные положения акустики.

Учебные вопросы:

1. История вопроса использования ультразвука в медицине.

2. Физические основы акустики.

3. Физические аспекты ультразвука, нашедшие применение

в медицине.

4. Биологические эффекты ультразвука.

История вопроса использования ультразвука в медицине.

Изучение принципов ультразвуковой диагностики предполагает знание элементарных теоретических основ акустики. Догадку о том, что причиной безошибочного полета летучих мышей в темноте являются неслышимые человеческим ухом зву­ковые колебания, высказал в конце XVI-гo века итальянец Спаланцани, однако, для ее практического подтверждения понадобилось полтора столетия. Официальная история изучения ультразвука начинается в 1880 году, когда выдающийся физик Пьер Кюри, работая вместе с братом Жаком, открыл явление пьезоэффекта, суть которого за­ключается в появлении на гранях кварцевой пластинки при ее сжатии электрических зарядов. Через год это явление, получившее название прямого пьезоэффекта, было теоретически обосновано другим французским ученым Г. Липманом, который также описал и принцип обратного пьезоэффекта -деформации пьезоматериала под действием разности электрических потенциалов. В течение нескольких десятилетий эти открытия не получали должного признания и применения. Лишь в 1916 году начинается практическое использование ультразвукового устройства - на подводных лодках устанавливаются первые ультразвуковые эхолокаторы для обнаружения кораблей противника.

 В 1929 году российским исследователем С.Я.Соколовым были заложены основы ультразвуковой дефектоскопии в технике и промышленности (обнаружение скрытых дефектов в металлических изделиях, бетонных блоках и т.п.). Для этого создаются специальные ультразвуковые устройства, послужившие впоследствии прототипами медицинских диагностических аппаратов. С их помощью и были произведены отдельные попытки получения ультразвуковой информации о состоянии внутренних органов человека. Вскоре появляются первые, относительно простые по устройству медицинские аппараты, работающие в одномерном режиме. Они сделали возможным в эксперименте и клинической практике увидеть изображение камней желчного пузыря, зарегистрировать смещение срединных структур головного мозга при наличии в полости черепа гематомы или опухоли и др. В середине 50-х годов начинается успешное применение ультразвукового диагностического метода в офтальмологии, публикуются первые работы по диагностике опухолей молочной железы. Это время отмечено появлением аппаратов, дающих двумерное (В-метод) изображение внутренних органов (ультразвуковую томограмму), а также теоретическими и экспериментальными исследованиями применения доплеровских систем в диагностике.

В течение следующих 15-20 лет аппаратура значительно совершенствуется, создаются устройства «серой шкалы», дающие изображения с большим количеством деталей и тонкими градациями структуры, разрабатываются первые модели аппаратов быстрого сканирования (в реальном масштабе времени). Постепенно формируется облик современного ультразвукового диагностического аппарата, оснащенного большим количеством сменных датчиков, имеющего встроенные блоки для измерений, расчетов различных биологических параметров и, наконец, систему компьютерной обработки изображения.

 

2. Физические основы акустики. Область физики, изучающая колебательные движения в упругих (твердой, жидкой и газообразной) средах, называется акустикой. Акустика первоначально возникла как наука, исследующая звуковые, т.е. слышимые ухом, колебания. Но, в настоящее время предметом изучения акустики являются и другие механические колебания, которые недоступны слуху человека из-за очень низкой (инфразвук) или высокой (ультразвук) и сверхвысокой (гиперзвук) частоты.

Ультразвуковая волна - это звуковые колебания, превосходящие по частоте определенный порог. Диапазон слышимости звука у человека составляет 20-20000 Гц. Диапазон черно-белого изображения ультразвука (режим серой шкалы) 2-15 МГц; доплеровские частоты несколько ниже.

В диагностической аппаратуре используется лишь относительно небольшой участок ультразвукового диапазона. Это связано с тем, что колебания высокой частоты не могут глубоко проникать в ткани, а низкие частоты не обес­печивают достаточного качества изображения из-за невысокого разрешения. Самые высокие рабочие частоты имеют датчики офтальмологических аппаратов, низкие - ультразвуковых остеометров и синускопов.

Звуковыми, а также ультра-, гипер- или инфразвуковыми - в зависимости от частоты называются колебания, распространяющиеся в виде продольной волны. Продольная волна представляет собой периодические (повторяющиеся) перемещения частиц среды вперед-назад от положения равновесия. При этом, одни частицы среды толкают другие, находящиеся перед ними и возвращаются на место. Такая волна называется продольной, поскольку перемещение частиц среды происходит по направлению воздействия возмущающего фактора, в отличие от поперечной волны, когда направление колебаний частиц перпендикулярно действующей силе.

Колебательные движения описываются значением ряда параметров: амплитуды, периода, частоты колебаний, длины волны и др.

В тканях тела распространяются только продольные волны, которые представляют собой возвратно-поступательные перемещения частиц среды. Так как продольная волна представляет собой чередующиеся зоны разрежения и сжатия вещества среды, частота колебаний является числом сжатий и разрежений в единицу времени. Измеряется эта величина в герцах (1Гц = одному сжатию + разрежению за одну секунду). Период колебаний - это время, за которое происходит одно сжатие и одно разрежение, т.е. величина, обратная частоте колебаний.

Т= 1/f,

где Т - период колебаний, с; f - частота колебаний, Гц.

Длина волны характеризуется расстоянием между соседними участками с одинаковой степенью разрежения или сжатия. Это расстояние проходит волна за период одного колебания.

Длина волны, частота, период и скорость распространения колебаний связаны между собой простой зависимостью:

λ = V/f = V x T,

где λ - длина волны, м;

V - скорость распространения волны, м/с;

 f - частота колебаний, Гц;

Т- период колебаний, сек, т.е.:          

V = f  x λ.

λ - длина волны (м); f - частота колебаний (МГц).

При постоянной скорости звука эти величины обратно пропорциональны. При увеличении частоты длина волны уменьшается, и наоборот.

Скорость распространения волны определяется как расстояние, пройденное волной в среде за 1 секунду. Этот параметр зависит прежде всего от свойств среды (плотности, однородности) и лишь в небольших пределах от изменения температуры. Температура тела человека является практически постоянной величиной, ее колебания в несколько

десятых долей градуса существенно не влияют на скорость ультразвука.

3. Физические аспекты ультразвука, нашедшие применение в медицине. Скорость, с которой ультразвук распространяется в среде, зависит от свойств этой среды, в частности, от ее плотности. Скорость распространения ультразвука в тканях человека при температуре 37°С равна 1540 м/с. Для скорости ультразвука 1540 м/сек, длина волны составляет 0,44 мм на частоте 3,5 МГц, около 0,3 мм на частоте 5 МГц.

Если плотность, структура и температура одинаковы по всей среде, то такая среда называется гомогенной. В гомогенной среде волны распространяются линейно. Различные среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важен акустический импеданс. Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны. Скорость распространения ультразвуковой волны в тканях практически постоянна, поэтому в эхокардиографии акустический импеданс - лишь функция плотности той или иной ткани. Разные ткани: миокард, перикард, кровь, створки клапанов и т. д. - имеют разную плотность. Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект «раздела фаз». Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее.

При этом:

· угол падения равен углу отражения;

· из-за различий акустических импедансов сред угол преломления не равен углу падения.

Соотношение между углом падения (отражения) и углом преломления описывается формулой:

n1/n2 = sin q2/sin q1,

где n - акустический импеданс, q - угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз.

Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн.

Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами:

·  разностью акустического импеданса сред - чем больше эта разность, тем больше отражение;

·  углом падения - чем ближе он к 90°, тем больше отражение;

·  соотношением размеров объекта и длины волны - размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны).

Одним из основных показателей диагностических возможностей преобразователя является его разрешающая способность, под которой понимают минимальное расстояние между двумя объектами, позволяющее воспринимать их на экране прибора раздельно. Различают аксиальное (вдоль луча) и латеральное (перпендикулярное лучу) разрешение. Аксиальное зависит от длины волны: если она меньше расстояния между двумя объектами, последние на экране воспринимаются раздельно; если больше - их изображения сливаются. Латеральное разрешение определяется шириной УЗ-луча: если она меньше расстояния между двумя объектами, последние воспринимаются раздельно; если больше - слитно. Например, для преобразователей с частотой 3,5 и 5 МГц теоретическая, идеальная аксиальная разрешающая способность в зоне фокусирования составит соответственно 0,44 и 0,31 мм, то есть будет равна длине волны. Практически вследствие неоднородности УЗ-потока аксиальное разрешение составляет примерно две длины волны, то есть несколько менее 1 мм. Латеральная разрешающая способность колеблется от 2 до 4 мм.

Однако, чем выше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука (глубина проникновения): тем легче происходит его затухание. Таким образом, важно найти оптимальную частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности. В табл.1 приведены значения «половинного затухания» для разных сред, т. е. расстояния, на которых ультразвуковые волны с частотой 2,0 МГц теряют половину своей энергии.

 

Таблица 1. Значения половинного затухания ультразвуковых волн с частотой 2,0 МГц в различных средах

Среда Расстояние, см
Вода 380
Кровь 15
Мягкие ткани (кроме мышц) 1—5
Мышечные ткани 0,6—1
Кости 0,7—0,2
Воздух 0,08
Легкие 0,05

 

Структуры, в которых происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень (shadowing).

Амплитуда колебаний представляет собой расстояние, на которое колеблющиеся частицы среды отклоняются от положения покоя. Величина амплитуды зависит от упругих свойств среды и от мощности ультразвуковой волны. Мощность ультразвуковой волны - это энергия, которая передается через окружающую излучатель поверхность в единицу времени. Данный показатель измеряется в обычных единицах мощности — ваттах (Вт).

Однако, более важной для живых тканей характеристикой является интенсивность ультразвукового излучения, которая определяется как мощность, приходящаяся на единицу площади (Вт/м² или мВт/см²). Для полной уверенности в отсутствии побочных воздействий ультразвука на организм этот показатель не должен превышать 0,05-0,1 мВт/см².

Распространение продольной волны в тканях не сопровождается переносом массы вещества в пространстве, но приводит к переносу энергии. Количество переносимой энергии по мере распространения волны уменьшается, так как происходит ее отражение и поглощение с переходом механической энергии в тепловую. Этот эффект, совершенно незначительный при малых уровнях интенсивности диагностического ультразвука, является основным действующим фактором в физиотерапевтических ультразвуковых устройствах. Глубина проникновения волны определяется не только мощностью, но и частотой ультразвуковых колебаний, а также свойствами упругости среды, в которую они излучаются. С одной стороны, чем меньше длина волны, (т.е. выше частота), тем более направленным, сфокусированным, будет излучение; с другой - чем выше частота колебаний, тем меньшей будет глубина проникновения ультразвуковой волны в ткани тела. Большие частоты поглощаются быстрее, чем меньшие. Низкие частоты лучше проникают в ткани. Большое значение имеет контакт кожи, геля и датчика. Если изучаемый объект расположен слишком поверхностно, для данного типа датчика можно использовать специальную прокладку.

Используемые в диагностических целях частоты ультразвука (примерно в диапазоне от 2-х до 15-ти МГц) позволяют получить узкие пучки ультразвукового излучения, проходящие с небольшим расхождением через ткани организма человека. Уменьшают расхождение ультразвукового луча специальные «фокусировочные линзы». При этом, частоты 2-3,5 МГц обеспечивают визуализацию на глубине более 15-20 см, а датчик с рабочей частотой 7,5 МГц - только поверхностно расположенных структур организма (не более 4-5 см). При больших частотах длина волны меньше. Более короткие волны позволяют различать отражающие объекты, расположенные на более близком расстоянии. Следовательно, при использовании более высоких частот разрешение выше, но меньше проникающая способность.

Ткани могут поглощать (преобразовывать в тепло), преломлять (сгибать подобно световым волнам), рассеивать и отражать звуковые волны. Отражение может быть диффузным (как на проекционном экране) или зеркальным (как в зеркале).

Отражение ультразвуковой волны составляет основной принцип действия современной диагностической ультразвуковой аппаратуры, работающей в режиме эхолокации. Часть направленной вглубь тканей энергии ультразвуковой волны отражается на границе неоднородностей внутренней структуры органов и тканей организма и вызывает микродеформацию пьезоэлемента датчика и появление в нем (по принципу прямого пьезоэффекта) электрического импульса, несущего информацию о внутреннем строении исследуемой области.

При близких значениях акустических сопротивлений большая часть ультразвуковой энергии проходит через границу двух сред. Однако современная аппаратура способна воспроизводить на экране отражение менее 1% ее мощности. Отражение будет прямо пропорционально разности акустического сопротивления на границе раздела двух неоднородных сред (тканей). Акустическое сопротивление зависит от плотности ткани и скорости распространения в ней ультразвука. Оно выражается формулой:

Z = р x C

Z - акустическое сопротивление кг/м²/с,

p - плотность среды кг/м³,

C - скорость распространения ультразвука, м/с.

Коэффициент отражения легко определить, если известны акустические сопротивления первой и второй сред:

Ra = Z2-Z1/Z2+Z1

Ra - коэффициент отражения по амплитуде,

Z1 и Z2 - акустические сопротивления сред.

Понятно, что чем больше разница между акустическими сопротивлениями двух сред, тем большая часть энергии волны отразится на их границе. Именно поэтому при проведении исследования так важно создать акустическую прослойку между датчиком и кожей, нанеся специальную контактную смазку, хорошо проводящую ультразвуковые колебания и тем самым свести к минимуму их отражение. Малейшая воздушная прослойка приводит к почти полному отражению ультразвуковой волны и невозможности получения какой-либо диагностической информации.

Поглощение характеризует количество энергии ультразвуковой волны, которое теряется в пересчете на определенный объем ткани, через которую проходит волна. Этот пропорциональный процесс: определенная доля энергии теряется при прохождении звука на данную глубину. Скорость потери также обратно пропорциональна частоте: чем больше частота, тем быстрее происходит потеря. Децибелы определяют энергию звука в логарифмической шкале, поэтому утрата примерно 3 дБ обозначает, что звуковая энергия стала слабее в 2 раза. Скорость поглощения зависит от типа ткани и в среднем составляет примерно  0,5-1 дБ/см/МГц. Следовательно, для волны с частотой 5 МГц теряется 2,5-5 дБ/см звуковой энергии, т.е. половина энергии волны на каждый сантиметр.

4. Биологические эффекты ультразвука. Вопросы безопасности УЗ были и остаются в центре внимания не только специалистов. Воздействие УЗ на биологические ткани приводит к возникновению в них различных эффектов: механическому, термическому и физико-химическому.

При малой интенсивности УЗ-потока возникает своеобразный массаж тканей, что способствует улучшению обмена веществ. При увеличении интенсивности механические эффекты сопровождаются появлением тепловых. Нагрев тканей на доли градуса повышает, как правило, жизнедеятельность биологических объектов. Однако дальнейшее увеличение интенсивности приводит к их перегреву и кавитации - разрыву тканей в участках, соответствующих фазам разрежения УЗ-волн. Эффект кавитации, в частности, используется в УЗ-скальпеле.

К физико-химическим эффектам относятся изменение рН среды, расщепление высокомолекулярных связей и т.п. Однако УЗ-энергия любой интенсивности не приводит к ионизирующим эффектам. К этому следует добавить, что не получено данных о каких-либо кумулятивных эффектах УЗ при многократном воздействии.

В настоящее время можно достаточно уверено сделать заключение об отсутствии повреждающего действия УЗ-волн, используемых для диагностики при уровнях средней интенсивности ультразвука, не превышающих величину 100 мВт/см². Как уже отмечалось, их интенсивность в сотни раз ниже повреждающего уровня. Наряду с этим импульсное воздействие УЗ уменьшает время фактической инсанации до нескольких секунд. До 50% энергии УЗ-потока, затухая, не достигает исследуемого объекта.

Исследования, посвященные воздействию УЗ на биологические объекты, начаты в конце 40-х годов и продолжается по сей день. За этот период накоплена значительная информация, полученная как в эксперименте, так и в клинических условиях. Эти многочисленные исследования не выявили каких-либо изменений в состоянии генеративной сферы, развитии потомства, функции отдельных органов, их морфологической структуре или биохимической функции. Не обнаружено также каких-либо изменений в хромосомном аппарате.

 

1.2. ТЕМА: Методы получения эхографического изображения.

Учебные вопросы:

1. Получение ультразвуковых колебаний.

2. Основные методы эхолокации, применяемые в медицине.

1. Получение ультразвуковых колебаний. Для получения ультразвуковых колебаний в технических и медицинских аппаратах используется явление обратного пьезоэффекта - колебания пластинки из пьезоматериала под воздействием электрического тока.

Не меньшее значение для работы аппаратуры имеет и принцип прямого пьезоэффекта. Информация о внутреннем строении органов и тканей тела человека передается отражением от них ультразвуковой волны. При ее воздействии на пьезоэлемент датчика в нем образуются электрические заряды, которые после соответствующих преобразований образуют изображение на экране устройства.

Основной элемент датчика представляет собой тонкую пластину из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. В настоящее время материалом для этого служат не природные (кварц), а полученные искусственным путем материалы (титанаты свинца, бария и др.). При подведении к граням такой пластинки разности потенциалов происходит ее деформация - расширение или сжатие в зависимости от полярности электрического заряда. Это явление известно как обратный пьезоэффект.

Частота колебаний пластины зависит от свойств материала, из которого она сделана, ее толщины и т.п. Чем тоньше пьезоэлемент, тем выше его резонансная частота.

Для частот 10-15 МГц толщина пластины составляет всего несколько микрон (мкм). Время, в течение которого на пластину подается напряжение, измеряется миллионными долями секунды и лишь в течение этого времени пьезоэлемент является передающей антенной -излучает ультразвуковые колебания вглубь тканей. Созданная разность электрических потенциалов вызывает колебания пластинки из пьезоматериала, что служит источником ультразвуковой волны. Отразившаяся часть энергии волны вызывает деформацию пластины и появление электрических зарядов на ее гранях.

 Часть энергии ультразвуковой волны отражается, проходя через границы тканей, имеющих различные акустические свойства и возвращается к пьезоэлементу, который в это время находится в состоянии покоя. Отраженная ультразвуковая волна вызывает компрессию пьезопластины и появление на ее гранях разности электрических потенциалов по принципу прямого пьезоэффекта. Пьезоэлемент датчика в это время работает как приемная антенна, а появившийся на пластине электрический заряд и является основной единицей построения изображения на экране.

 Наиболее часто используются следующие термины: ультразвуковое исследование, ультразвуковая диагностика, ультразвуковое сканирование, эхография, эхотомография, сонография, ультрасонография и распространенные сокращения - УЗИ (ультразвуковое исследование) и УЗД (ультразвуковая диагностика).

Из перечисленных терминов предпочтительными являются эхотомография, сонография и ультрасонография, так как первый из них описывает и метод исследования и тип получаемого изображения, а второй и третий традиционно используются в зарубежной литературе.

Определения «ультразвуковое исследование», «ультразвуковое сканирование» допустимы, но менее лаконичны и информативны, а понятие «ультразвуковая диагностика» должно приме­няться для обозначения не процесса исследования, а раздела диагностики или специальности врача. Поэтому, например, название «Кабинет УЗД» является более правильным, чем «Кабинет УЗИ», но наименование диагностической процедуры «УЗИ органов брюшной полости», а не «УЗД органов...».

 


Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 98; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!