Принцип работы УЗИ аппарата для медицинских исследований

Принцип работы УЗИ аппарата основан на использовании особенностей распространения высокочастотных звуковых волн с целью получения изображения внутренних органов. Поскольку ультразвуковое исследование является относительно безопасным и неинвазивным, оно стало полезным диагностическим инструментом в медицине.

Знание принципа работы ультразвукового исследования необходимо для базового представления об этом инструменте: как звуковые волны производятся и взаимодействуют с тканью, какие типы изображений могут быть получены, как получить лучшее изображение и как идентифицировать общие артефакты.

Ультразвуковые исследования дополняют другие методы визуализации, такие как рентгенография, и позволяют проводить более точные диагностические тесты (например, биопсия, тонкоигольная аспирация). Кроме того, процедура позволяет получить более детальное состояние чем традиционное маммографическое исследование. Это неинвазивное исследование позволяет исключить развитие серьезных заболеваний в том числе и молочных желез женщин. Так как противопоказаний практически нет, то где сделать УЗИ молочных желез является сугубо индивидуальным решением пациента. Принцип работы УЗИ аппарата
Однако процедура УЗИ ограничена тем, что зависит от квалификации врача-сонографа. Это означает, что качество полученных изображений и их точная интерпретация зависят от опыта и знаний сонографа.

Физические характеристики ультразвука

Звук-это волна энергии, которая, в отличие от рентгеновских лучей, должна передаваться через среду. Звуковые волны могут быть описаны их частотой, длиной волны и скоростью.

Частота – это число циклов или волн, которые завершаются каждую секунду, а длина волны-это расстояние, необходимое для завершения одного волнового цикла. Частота звуковых волн, используемых в ультразвуковом исследовании, значительно выше предела человеческого уха (20 000 кГц) – обычно в диапазоне от 2 до 12 МГц (от 2 до 12 миллионов Гц). Существует обратная зависимость между частотой и длиной волны звуковой волны: чем выше частота, тем короче длина волны.

Это соотношение влияет на выбор частоты, используемой у каждого пациента, проходящего УЗИ.

Высокочастотные ультразвуковые волны создают изображения с более высоким разрешением, но их более короткая длина волны делает их неспособными проникать в более глубокие ткани. Низкочастотные волны имеют лучшую проникающую способность, но из-за их более длинных длин волн их разрешение ниже.

Взвешивание потребности в более высоком разрешении по сравнению с большей проникающей способностью всегда учитывается и заложен в принцип работы УЗИ аппарата.

Скорость ультразвуковой волны не зависит от частоты. Однако она изменяется в зависимости от среды, через которую проходит волна. Например, скорость звука составляет 331 м/сек в воздухе и 4080 м/сек в кости. В мягких тканях тела она считается устойчивой при скорости около 1540 м / с. Это зависящее от среды изменение влияет на получаемое ультразвуковое изображение

Следующее уравнение демонстрирует связь между частотой, длиной волны и скоростью:
Скорость (м/сек) = частота (циклы/сек) х длина волны (м)

Принцип получения изображений внутренних органов

Два основных принципа должны быть поняты относительно того, как генерируется ультразвук и формируется изображение.

  • Первый-пьезоэлектрический эффект, который объясняет, как ультразвук генерируется из керамических кристаллов в преобразователе. Электрический ток проходит через кабель к преобразователю и прикладывается к кристаллам, вызывая их деформацию и вибрацию. Эта вибрация производит луч ультразвука. Частота создаваемых ультразвуковых волн определяется кристаллами в преобразователе.
  • Второй ключевой принцип-принцип импульсного эха, который объясняет, как генерируется изображение. Ультразвуковые волны производятся импульсно, а не непрерывно, потому что одни и те же кристаллы используются для генерации и приема звуковых волн, и они не могут делать то и другое одновременно. В промежутке времени между импульсами ультразвуковой луч входит в пациента и отражается обратно в преобразователь. Эти отраженные звуковые волны, или эхо, заставляют кристаллы в преобразователе снова деформироваться и производить электрический сигнал, который затем преобразуется в изображение, отображаемое на мониторе. Датчик вообще испускает ультразвук только 1% из времени; остальное время по принципу работы УЗИ аппарата получает возвращенные отголоски.

Взаимодействие с тканью

Ультразвук, производимый датчиком, взаимодействует с различными тканями различными способами, которые могут помочь или помешать формированию изображения. Ослабление и преломление являются двумя основными типами взаимодействия тканей.

Затухание

Происходит постепенное ослабление ультразвукового луча по мере его прохождения через ткани. Затухание может быть вызвано отражением, рассеянием или поглощением звуковых волн и компенсируется с помощью специальных электронных усилителей.

Отражение

Отражение имеет место, когда ультразвуковые волны отражаются обратно к датчику для формирования изображения. Отраженная часть ультразвукового пучка определяется разницей в акустическом сопротивлении между соседними структурами.

Акустический импеданс-это произведение плотности ткани и скорости проходящих через нее звуковых волн; следовательно, чем плотнее ткань, тем больше акустический импеданс. Большие различия в плотности и скорости звука между воздухом, костью и мягкой тканью создают соответственно большую разницу в акустическом импедансе, заставляя почти все звуковые волны отражаться на границах раздела мягкая ткань-кость и мягкая ткань-воздух. С другой стороны, существует небольшая разница в акустическом импедансе между структурами мягких тканей. Относительно небольшое эхо отражается из этих областей. Принцип работы УЗИ аппарата благодаря алгоритму способен отличить эти явления.

Рассеяние

Рассеяние относится к перенаправлению ультразвуковых волн, поскольку они взаимодействуют с небольшими, грубыми или неровными структурами. Это тканевое взаимодействие происходит в паренхиме органов, где существует небольшая разница в акустическом импедансе, и отвечает за создание текстуры органа, видимого на мониторе. Рассеяние увеличивается с помощью высокочастотных преобразователей, что обеспечивает лучшую детализацию или разрешение.

Поглощение

Поглощение возникает, когда энергия ультразвукового луча преобразуется в тепло. Это происходит на молекулярном уровне, когда луч проходит через ткани.

Преломление

Преломление возникает, когда ультразвуковой луч попадает на структуру под косым углом. Изменение плотности ткани приводит к изменению скорости, и это изменение скорости заставляет луч изгибаться или преломляться. Этот тип тканевого взаимодействия также может вызвать артефакты, которые должны быть распознаны сонографом.

Режим отображения

Информация, полученная при ультразвуковом исследовании, может быть отображена различными способами. Режим, используемый для отображения, зависит от типа используемого ультразвукового устройства, получаемой информации и исследуемого органа.
Возвращающиеся эхо-сигналы отображаются на мониторе формируя основу двумерного изображения.

Принцип работы УЗИ аппарата разработан так, чтобы в режиме реального времени получить полное двумерное изображение.
Есть много датчиков или зондов, из которых можно выбрать подходящий который зависит от расположения структур, которые будут изображены и размера пациента.

Блок управления

Во время обследования сонограф должен знать, как манипулировать элементами управления на ультразвуковом аппарате для получения полезного изображения. Ультразвуковые аппараты поставляются с различными элементами управления.принцип работы узи аппарата
Управление, которое изменяет интенсивность ультразвукового луча, генерируемого преобразователем, часто называют регулятором мощности. Однако разные производители могут иметь несколько разные названия для одного и того же элемента. Чтобы увеличить эхо-сигнал без создания нежелательных артефактов, рекомендуется поддерживать мощность как можно ниже и вместо этого регулировать усиление эхо-сигналов. Это может быть сделано путем регулировки усиления или управления компенсацией усиления по времени.
Регулятор усиления равномерно изменяет яркость всех эхо-сигналов на мониторе независимо от их расположения. Управление компенсацией временного усиления позволяет сонографу регулировать уровень возвращающихся эхо-сигналов на различных глубинах.
Контроль этого параметра позволяет специалисту контролировать глубину изображения. Возможно, потребуется изменить регулятор глубины, чтобы разместить интересующую структуру в середине монитора для оптимизации ее визуализации. Если регулятор глубины установлен максимально, результирующее изображение будет небольшим в определенной части экрана.

Артефакты

Артефакты-это особенности изображения, генерируемого ультразвуком, которые на самом деле не представляют исследуемую область. Для сонографа важно уметь распознавать общие артефакты и понимать, как и почему они возникают, чтобы при необходимости их можно было устранить путем корректировки техники визуализации. Некоторые артефакты могут быть полезны, помогая в диагностическом потенциале УЗИ.

Акустическое затенение

Акустическое затенение происходит, когда ультразвуковой луч сталкивается с областью газа или минерализации. Газ или минерализованная структура блокируют проход луча, который или отскакивает назад к датчику или поглощается. Поскольку ультразвуковой луч не может проникнуть в эту область, на мониторе появляется безэховая тень этой области. Акустическое затенение часто наблюдается с мочевыми камнями или газом в желудочно-кишечном тракте. Этот артефакт помогает в идентификации камней, но также мешает исследованию более глубоких структур.
Таким образом, принцип работы УЗИ аппарата позволяет при достаточной квалификации врача-сонографа получить точную интерпретацию внутренних органов.