Kvant. Ультразвук в медицине

Морин Р., Хобби Р. Ультразвук в медицине //Квант. — 1990. — № 9. — С. 17-19.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Ультразвуковая диагностика — сравнительно недорогой метод исследования структуры и работы органов.

Как и слышимый звук, ультразвук представляет собой волны, распространяющиеся в среде. В медицине используются ультразвуковые волны с частотами от 1 до 10 МГц (для сравнения: слышимый звук имеет частоты от 30 Гц до 20 кГц). Скорость распространения звуковых волн в материале зависит от модуля объемной упругости В и от плотности материала ρ\[~\upsilon = \sqrt{\frac{B}{\rho}}\]. Для мягких тканей ее значение варьируется от 1400 до 1600 м/с. Соответствующие длины волн лежат в интервале 0,14-1,6 мм. (В таких твердых материалах, как кости, скорость звука достигает 4000 м/с.) При переходе волны из одной среды в другую происходит ее частичное отражение от границы, причем отношение амплитуд прошедшей и отраженной волн определяется отношением так называемых акустических импедансов этих сред (это чем-то напоминает частичное отражение света на границе двух сред с различными показателями преломления). Акустический импеданс среды с модулем объемной упругости В и плотностью о равен \(~Z = \rho \upsilon = \sqrt{B \rho}\). Чем сильнее отличаются импедансы двух сред, тем больше энергии отражается обратно на их границе раздела. Анализ отраженных от границ органов ультразвуковых сигналов позволяет строить достаточно четкие изображения.

Ультразвуковой сигнал получают с помощью прибора, преобразующего колебания электрического напряжения в механические колебания. Тот же самый прибор в некоторых электронных схемах, работающих в импульсном режиме, может использоваться и для обратного преобразования ультразвуковых колебаний в слабый электрический сигнал. В установках, действующих в непрерывном режиме, для излучения и детектирования волн используются различные приборы.

Измерения довольно сложны, так как волна при распространении в тканях теряет много энергии. Например, для волн с частотой 1 МГц ослабление составляет примерно 100 дБ/м. А это значит, что эхо (отраженный сигнал), приходящее от отдаленной поверхности, очень слабое. Разницу между сильными и слабыми сигналами удается несколько сгладить использованием усилителей. В импульсных устройствах усилитель настраивают так, чтобы сигналы с большим запаздыванием и, соответственно, с большим ослаблением и усиливались больше.

Ультразвуковая эхограмма, полученная методом B-scan. Это как бы мгновенный снимок продольного сечения сердца. Серия таких снимков позволяет судить о состоянии сердца. Маленькое светлое пятно в верху снимка — это датчик. Он был установлен на теле пациента ниже сердца, и поэтому изображение сердца перевернутое.

Наиболее распространенным методом построения изображений является метод B-scan. Для излучения и для приема отраженных волн используется один прибор, который можно перемещать над телом пациента. Во избежание больших потерь энергии на границе тело — воздух, между прибором и кожей наносится гель. Прибор излучает короткие ультразвуковые импульсы. Измеряются время запаздывания и амплитуда отраженной волны. По времени запаздывания определяется расстояние до отражающей границы и потери энергии волны в среде. В результате на дисплее высвечивается точка, яркость которой пропорциональна амплитуде отраженной волны (с учетом поправки на затухание), которая, в свою очередь, зависит от отношения импедансов на отражающей поверхности. (Метод построения эхограммы отражен в названии: B-scan — от англ. Brightness — яркость, scan — поле зрения.)

Рис. 1. Схема исследования методом В-scan. Излучатель может быть установлен на одном месте или перемещаться по поверхности тела (а). Информация об отраженных лучах вдоль многих направлений позволяет строить изображение (б).

Для получения полного изображения органа необходимо провести серию измерений в нескольких местах и в разных направлениях (рис. 1). В общей сложности это занимает несколько минут.

Эхограмма. полученная методом М-scan. Две яркие волнистые линии — это «график», изменения поперечного сечения аорты (верхняя кривая — движение передней стенки аорты, нижняя — задней); «пунктир» в сечении аорты — аортальный клапан в моменты закрытия створок. (В верхней части снимка — В-scan изображение поперечного сечения сердца.)

Для исследования тех органов, которые не остаются неподвижными, используется метод M-scan (M — от английского Moving — движущийся). Этим методом исследуют, например, движения клапанов сердца. Через небольшие промежутки времени испускаются короткие импульсы ультразвука. Положение клапана со временем, меняется, меняется и время запаздывания. Как получают эхограмму, показано на рисунке 2. Для построения обычно используют самописец, который вырисовывает как бы график зависимости запаздывания эха во времени. Точнее, получается множество графиков, каждый из которых соответствует колебаниям небольшого участка клапана, стенки сердца или еще чего-нибудь, находящегося за и перед сердцем.

Рис. 2. Схема исследования методом M-scan. Отражающая площадка двигается в неподвижной цилиндрической оболочке (а). Запаздывания эха от «сердечного клапана» меняются со временем, и соответствующие точки на экране (б) создают «изображение» движения.

С помощью ультразвука можно измерять скорость течения крови в сосудах. Метод измерения основан на так называемом вторичном эффекте Доплера — зависимости частоты отраженного сигнала от скорости движения отражателя. Если отражающие частицы (например, красные кровяные тельца) движутся со скоростью u под углом θ к направлению распространения волны, то частота отраженной в обратном направлении волны будет сдвинута относительно исходной части ν на величину \(~\Delta \nu = \frac{2 \nu u \cos \theta}{\upsilon}\). Для u = 0,1 м/с и ν = 2 МГц при θ = 0 этот сдвиг составит 260 Гц. Если составить биения из отраженной и исходной волн, то частота биений будет лежать в слышимом диапазоне (130 Гц). По сдвигу частоты можно судить о состоянии кровеносных сосудов (так, при сужении сосудов скорость кровотока уменьшается). При измерении скорости излучатель настраивают так, чтобы биения были громкими и частыми. Сигнал при этом звучит как серия «паф-паф» в такт с ударами сердца. Затем аппарат определяет значение Δ.

Интенсивность ультразвука, используемого для диагностики, обычно не превышает 10³ Вт/м². Насколько известно, при таких интенсивностях вредные побочные эффекты отсутствуют.

На этой эхограмме изображен спектр потока крови в устье легочной артерии — изменение скорости тока крови во времени (в зависимости от фазы сердечного цикла). По спектру можно определить максимальную, среднюю, интегральную скорости потока, а эти данные позволяют судить о наличии или отсутствии патологии.

При более высоких интенсивностях ткани довольно сильно нагреваются. Иногда это используют для снятия острых болевых ощущений в спине, в плечевом поясе, а также при повреждениях мышц.

При интенсивностях свыше 7·10⁶ Вт/м² повышение температуры может привести к повреждению тканей. При 10⁷ Вт/м² и более перепады давления в ультразвуковой волне могут приводить к образованию и схлопыванию микрополостей. Эти эффекты используются в хирургии.

Перевод с английского И. Мартина