Ультразвуковые методы исследования. 3D и 4D Эхография

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО ИГМУ Минздрава России)

Институт сестринского образования

Специальность 34.02.01

Сестринское дело

Очная форма обучения

квалификация: Медицинская сестра/Медицинский брат

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Здоровый человек и его окружение. Детство»

на тему: «Ультразвуковые методы исследования. 3D и 4D Эхография»

Выполнил(а):

Студент(ка) 1 курса группа 19-1

Малышева О.В.

Научный руководитель:

Демидова Татьяна Викторовна

преподаватель высшей квалификационной категории

Иркутск 2020 г

Содержание

1.Ультразвуковые волны

2.Биофизика ультразвука

3.Лучевая безопасность ультразвуковых исследований

4.Методики ультразвуковых исследований

5.Тканевое допплеровское картирование. Трехмерный режим 3D УЗИ

6.Статический трехмерный режим. Четырехмерный режим 4D УЗИ

Список используемой литературы

биофизика лучевая безопасность ультразвуковое исследование

1. Ультразвуковые волны

Ультразвуковые волны -- это упругие колебания среды с частотой, лежащей выше диапазона слышимых человеком звуков -- выше 20 кГц. Верхним пределом ультразвуковых частот можно считать 1 - 10 ГГц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяются ультразвуковые волны. Они обладают высокой проникающей способностью и проходят через ткани организма, не пропускающие видимого света. Ультразвуковые волны относятся к числу неионизирующих излучений и в диапазоне, применяемом в диагностике, не вызывают существенных биологических эффектов. По средней интенсивности энергия их не превышает при использовании коротких импульсов 0,01 Вт/см2 . Поэтому противопоказаний к исследованию не имеется. Сама процедура ультразвуковой диагностики непродолжительна, безболезненна, может многократно повторяться. Ультразвуковая установка занимает мало места, не требует никакой защиты. Она может быть использована для обследования как стационарных, так и амбулаторных больных.

2. Биофизика ультразвука

С точки зрения физики ультразвука ткани человеческого тела близки по своим свойствам жидкой среде, поэтому давление на них ультразвуковой волны может быть описано как сила, действующая на жидкость.

Изменение давления в среде может происходить перпендикулярно в плоскости вибрации источника ультразвука. В этом случае волну называют продольной. В ультразвуковой диагностике основную информацию несут преимущественно продольные волны. В твердых телах, например, в костях или металлах, возникают поперечные волны.

Звуковые волны являются механическими по своей природе, так как в основе их лежит смещение частиц упругой среды от точки равновесия. Именно за счет упругости и происходит передача звуковой энергии через ткань. Упругость - это возможность объекта после сжатия или растяжения вновь приобретать свой размер и форму. Скорость распространения ультразвука зависит прежде всего от упругости и от плотности ткани. Чем больше плотность материала, тем медленнее должны распространяться в нем (при одинаковой упругости) ультразвуковые волны. Но к этому физическому параметру следует подходить с осторожностью. Скорость звука при прохождении его через разные среды биологического организма может быть различной, в таблице представлены скорости распространения ультразвука в различных средах.

Для различных типов ультразвуковых исследований применяются разные виды ультразвуковых волн. Наиболее важными параметрами являются частота излучения, диаметр поверхности трандюссера и фокусировка ультразвукового пучка. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используются частоты 1; 1,6; 2,25; 3,5; 5 и 10 МГц.

В аппаратах имеется возможность регулировать излучаемый и принимаемые сигналы, так же имеется возможность усиления изображения эхосигналов.

3. Лучевая безопасность ультразвукового исследования

Ультразвук широко используется в медицине, хотя в отличие от технической сферы где применяется низкочастотный ультразвук, для которого имеются нормы излучения, в медицине все обстоит гораздо сложнее. С одной стороны, отсутствует возможность провести прямую дозиметрию излучения в рабочем пучке, особенно на глубине; с другой же, - очень трудно учесть рассеяние, поглощение и ослабление ультразвука биологическими тканями. Кроме того, при работе с аппаратами реального масштаба времени практически невозможно учесть и экспозицию, так как длительность озвучивания, а так же его направление и глубина варьируют в широких пределах.

Распространение ультразвука в биологических средах сопровождается механическим, термическим, и физико-химическими эффектами. В результате поглощения ультразвука тканями акустическая энергия превращается в тепловую. Другим видом механического действия является кавитация, которая приводит к разрывам в месте прохождения ультразвуковой волны.

Все эти явления происходят при воздействии на биологические ткани ультразвука высокой интенсивности, и в известных условиях они желательны, например, в физиотерапевтической практике. При диагностике эти эффекты не возникают в результате использования ультразвука небольшой интенсивности - не более 50 мВт*см2. Конструктивно приборы для ультразвуковой медицинской диагностики надежно защищают пациента от возможного вредного воздействия звуковой энергии. Однако в последнее время все чаще появляются работы о неблагоприятном воздействии ультразвукового исследования на пациента. В частности, это относится к ультразвуковому исследованию в акушерстве. Уже доказано что ультразвук неблагоприятно воздействует на хромосомы, в частности может приводить к мутациям плода. 

4. Методики ультразвукового исследования

В настоящее время в клинической практике используются УЗИ в В- и М-ре-жиме и допплерография.

В-режим - это методика, дающая информацию в виде двухмерных се-рошкальных томографических изображений анатомических структур в масштабе реального времени, что позволяет оценивать их морфологическое состояние. Этот режим является основным, во всех случаях с его использования начинается УЗИ.

В современной ультразвуковой аппаратуре улавливаются самые незначительные различия уровней отраженных эхо-сигналов, которые отображаются множеством оттенков серого цвета. Это дает возможность разграничивать анатомические структуры, даже незначительно отличающиеся друг от друга по акустическому сопротивлению. Чем меньше интенсивность эха, тем темнее изображение, и, наоборот, - чем больше энергия отраженного сигнала, тем изображение светлее.

Биологические структуры могут быть анэхогенными, гипоэхогенныйми, средней эхогенности, гиперэхогенными (рис. 1). Анэхогенное изображение (черного цвета) свойственно образованиям, заполненным жидкостью, которая практически не отражает ультразвуковые волны; гипоэхогенное (темно-серого цвета) - тканям со значительной гидрофильностью. Эхопозитивное изображение (серого цвета) дают большинство тканевых структур. Повышенной эхогенностью (светло-серого цвета) обладают плотные биологические ткани. Если ультразвуковые волны полностью отражаются, то объекты выглядят гиперэхогенными (ярко-белыми), а за ними есть так называемая акустическая тень, имеющая вид темной дорожки(рис.2)

Рис.1: Шкала уровней эхогенности биологических структур: а - анэхогенный; б - гипоэхогенный; в - средней эхогенности (эхопозитивный); г - повышенной эхогенности; д - гиперэхогенный

Рис. 2: Эхограммы почек в продольном сечении с обозначением структур различной эхогенности: а - анэхогенный дилатированный чашечно-лоханочный комплекс; б - гипоэхогенная паренхима почки; в - паренхима печени средней эхогенности (эхопозитивная); г - почечный синус повышенной эхогенности; д - гиперэхогенный конкремент в лоханочно-мочеточниковом сегменте.

Режим реального времени обеспечивает получение на экране монитора «живого» изображения органов и анатомических структур, находящихся в своем естественном функциональном состоянии. Это достигается тем, что современные ультразвуковые аппараты дают множество изображений, следующих друг за другом с интервалом в сотые доли секунды, что в сумме создает постоянно меняющуюся картину, фиксирующую малейшие изменения. Строго говоря, эту методику и в целом ультразвуковой метод следовало бы называть не «эхография», а «эхоскопия».

М-режим - одномерный. В нем одна из двух пространственных координат заменена временной так что по вертикальной оси откладывается расстояние от датчика до лоцируемой структуры, а по горизонтальной - время. Этот режим используется в основном для исследования сердца. Он дает информацию в виде кривых, отражающих амплитуду и скорость движения кардиальных структур (см. рис. 3).

Рис.3: М - модальная кривая движения передней створки митрального клапана

Допплерография - это методика, основанная на использовании физического эффекта Допплера (по имени австрийского физика). Сущность этого эффекта состоит в том, что от движущихся объектов ультразвуковые волны отражаются с измененной частотой. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости движения лоцируемых структур, причем если их движение направлено в сторону датчика, частота отраженного сигнала увеличивается, и, наоборот, - частота волн, отраженных от удаляющегося объекта, уменьшается. С этим эффектом мы встречаемся постоянно, наблюдая, например, изменение частоты звука от проносящихся мимо машин, поездов, самолетов. В настоящее время в клинической практике в той или иной степени используются потоковая спектральная допплерография, цветовое допплеровское картирование, энергетический допплер, конвергентный цветовой допплер, трехмерное цветовое допплеровское картирование, трехмерная энергетическая доппле-рография.

5. Тканевое допплеровское картирование. Трехмерный режим 3D узи.

Тканевое допплеровское картирование (ТДК) от английского Doppler Tissue Imaging (DTI) - технология допплеровского исследования движения тканей. Используется, в основном, в диагностике нарушения локальной сократимости миокарда. В последнее время применяется для исследования пульсовой подвижности сосудистой стенки. Режим ТДК включает три основных варианта: цветовой двухмерный режим, цветовой М-режим и импульсно-волновой режим.

Цветовой двухмерный режим ТДК - способ цветового картирования движения тканей. Аналогично цветовому допплеровскому картированию кровотока цветовой режим ТДК кодирует цветом скорость и направление движения, но не частиц крови, а миокарда. Технически ТДК аналогичен ЦДК, но если ЦДК использует низкочастотный фильтр для устранения помех от движения миокарда и стенки сосудов при картировании кровотока, то ТДК использует высокочастотный фильтр для устранения помех от движения крови при картировании более медленного движения тканей (рис.4)

Рис.4: Сердце в режиме цветового двухмерного ТДК

Цветовой М-режим ТДК позволяет регистрировать скорости движения миокарда с более высоким, чем при цветовом двухмерном режиме, разрешением. Этот режим основан на классическом М-режиме, описанном выше, но дополняет его цветовым картированием движения тканей. Цветовой М-режим позволяет провести фазовый анализ сердечной деятельности в каждом сегменте миокарда (рис.5)

Рис.5: М-режим ТДК

Импульсно-волновой спектральный режим ТДК технически аналогичен классическому импульсно-волновому доплеровскому режиму регистрации кровотока, описанному выше. Этот режим дает информацию о движении избранных сегментов миокарда и его слоев. Помимо представленных основных вариантов режима тканевого допплеровского картирования существуют дополнительные режимы, основанные на обработке двухмерной кинопетли скоростей движения миокарда: миокардиальный градиент скорости, тканевой след, strain (деформация) и скорость деформации (рис.6).

Рис.6: Сердце, левый желудочек, выносящий тракт, импульсный допплер

Трехмерный режим (3D) дает объемную информацию о лоцируемых структурах. Кодирование информации об отраженном ультразвуке в трехмерном режиме, как и в случае двухмерного, осуществляется по принципу В-режима - в яркости свечения точек дисплея. Двухмерный режим располагает точки, соответствующие локализации отражения эхосигналов, в двоичной системе координат- по горизонтальной и вертикальной осям. Такая картина (скан) является плоской. В отличие от этого трехмерный режим дополнительно кодирует локализацию точек отражения эхо в толщину скана (сагиттально), делая как бы срез, томограмму ткани по сагиттальной оси. Такой скан является объемным. Принципиальным для получения трехмерного изображения является сканирование в троичной системе координат. Для этого нужно, чтобы кадр включал в себя информацию о плоском двухмерном фронтальном скане и плоском двухмерном сагиттальном скане. Объединение этой информации в одном кадре дает объемное изображение лоцируемой структуры. Самым очевидным техническим решением этой задачи является использование обычных двухмерных датчиков с поочередным сканированием во фронтальной и сагиттальной плоскости путем механического перемещения датчика с последующим наложением этой информации в одном кадре. Такой подход легче было реализовать в полостных чреспищеводных датчиках с вращающейся апертурой, что и было осуществлено еще в 80-х годах прошлого века. Для обычных чрескожных датчиков с этой целью приходилось создавать специальные приспособления типа "механической руки", которые позволяли строго соблюдать и фиксировать координаты сканирования. Указанные устройства не получили широкого распространения, прежде всего, из-за громоздкости и неудобства использования, Развитие электроники позволило упростить получение трехмерного скана с использованием обычных двухмерных датчиков (режим трехмерной реконструкции методом свободной руки).

6. Статический трехмерный режим. Четырехмерный режим 4D УЗИ

Режим трехмерной реконструкции методом свободной руки (Free Hand 3D). Используя обычный двухмерный датчик и специальный алгоритм формирования скана добиваются создания трехмерного изображения после механического перемещения датчика по исследуемому участку тела свободной (в смысле не механической) рукой. Трехмерная реконструкция имеет многовариантную систему обработки трехмерного изображения, требует существенных затрат времени и специальных навыков. Поэтому режим Free Hand 3D мало используется в рутинном ультразвуковом исследовании (рис.7)

Рис.7: Free hand 3D грудной клетки

Статический трехмерный режим (3D Stat). Требует использования специального объемного датчика. Трехмерное изображение представляется в виде статичного кадра( рис.8)

Рис.8: 3D Stat фаланга пальца

Динамический (живой) трехмерный режим (3D Live). Так же, как и 3D Stat, требует использования специальных объемных датчиков, но в отличие от этого режима, позволяет наблюдать трехмерное изображение в реальном времени, "в живую", непосредственно в процессе исследования и регистрировать эти трехмерные изображения в виде клипов. Для получения статического и живого трехмерного режимов используются, как правило, механические объемные датчики. Их возможностей недостаточно для трехмерной визуализации быстродвижущихся структур сердца. Поэтому использование 3D Live недоступно в кардиологии. Иногда этот режим обозначают как четырехмерный (4D).

Четырехмерный режим (4D). Фактически это тот же живой трехмерный режим, но с очень высоким быстродействием, что позволяет позиционировать его как трехмерный режим в реальном времени, или четырехмерный режим. Последним названием подчеркивается наличие в этом режиме четвертой виртуальной временной оси. Помимо высокоскоростного процессора и совершенного алгоритма обработки изображений эта технология требует специальных объемных электронных матричных датчиков, насчитывающих около 3000 элементов. Следует отметить, что терминология трехмерного сканирования еще не сложилась. Поэтому могут встречаться различные обозначения одних и тех же режимов. Например, динамический 3D режим (3D Live) может быть обозначен как 4D.

Различают пространственное, временное и контрастное разрешение. Пространственная разрешающая способность ультразвука характеризуется минимальным расстоянием между двумя точками, при котором их еще можно различить.

Аксиальное (продольное) разрешение определяется минимальным расстоянием между двумя точками, расположенными по ходу УЗ луча. Величина продольного разрешения предопределяется длиной волны. Условный предел продольного разрешения достигается, когда расстояние между двумя отражающими структурами по ходу луча меньше, чем длина волны излучаемого ультразвука. Чем выше частота ультразвука, тем выше его разрешающая способность. Так как длина волны связана с частотой, то при изменении частоты используемого датчика изменяется и длина волны. Разрешение, которое дает датчик с частотой 10 МГц (длина волны 0,15 мм) существенно превосходит разрешение, которое дает датчик с частотой 3,5 МГц (длина волны 0,44 мм). Однако с увеличением частоты излучения снижается проникающая способность ультразвука. Это заставляет искать компромисс между разрешающей и проникающей способностью ультразвука путем подбора датчика с частотой, соответствующей задаче исследования.

Список используемой литературы

1. "Практическое руководство по ультразвуковой диагностике. Общая ультразвуковая диагностика. Изд. 3-е, переработанное и дополненное"

Под ред.: Митькова В.В.,2019

2. Атлас УЗИ “Ультразвуковая диагностика. Атлас.” (учебно-практическое пособие).Автор: Аллахвердов Ю. А, 2019

3. "Скрининговое ультразвуковое исследование в 18-21 неделю". Авторы: М.В. Медведев, Н.А. Алтынник, 2018

Размещено на Allbest.ru