Как работает ультразвук

[Carder]

Энедино Ортега, четвертый месяц беременности, лежит на кровати, пока Задица Сильвейра использует ультразвуковой аппарат, чтобы сделать снимки своего ребенка в родильном доме в Южной Флориде.

Есть много причин пройти УЗИ. Возможно, вы беременны, и ваш акушер хочет, чтобы вам сделали УЗИ, чтобы проверить состояние развивающегося ребенка или определить дату родов.

Может быть , у вас возникли проблемы с кровью кровообращения в конечности или вашего сердца, и ваш врач запросил УЗИ Доплера , чтобы посмотреть на поток крови. Ультразвук уже много лет является популярным методом медицинской визуализации.

Ультразвук или ультрасонография - это медицинский метод визуализации, в котором используются высокочастотные звуковые волны и их эхо. Этот метод похож на эхолокацию, используемую летучими мышами, китами и дельфинами, а также на SONAR, используемый подводными лодками.

В этой статье мы рассмотрим, как работает ультразвук, какие типы ультразвуковых методов доступны и для чего может использоваться каждый метод.

Что такое ультразвук?​

Ультразвуковое изображение растущего плода (примерно 12 недель) в матке матери. Это вид ребенка сбоку, показывающий (справа налево) голову, шею, туловище и ноги.

На УЗИ случаются следующие события:

1. Ультразвуковой аппарат передает высокочастотные (от 1 до 5 мегагерц) звуковые импульсы в ваше тело с помощью зонда.
2. Звуковые волны проникают в ваше тело и достигают границы между тканями (например, между жидкостью и мягкими тканями, мягкими тканями и костью).
3. Некоторые звуковые волны отражаются обратно в зонд, а некоторые распространяются дальше, пока не достигнут другой границы и отражаются.
4. Отраженные волны улавливаются зондом и передаются на машину.
5. Устройство рассчитывает расстояние от датчика до ткани или органа (границ), используя скорость звука в ткани (5005 футов / с или 1540 м / с) и время возврата каждого эхо-сигнала (обычно порядка миллионных долей). секунды).
6. Устройство отображает расстояние и интенсивность эхо-сигналов на экране, формируя двухмерное изображение, подобное показанному ниже.

При обычном ультразвуковом исследовании каждую секунду отправляются и принимаются миллионы импульсов и эхо-сигналов. Зонд можно перемещать по поверхности тела и наклонять для получения различных изображений.

Ультразвуковой аппарат​

Аппарат УЗИ.

Базовый ультразвуковой аппарат состоит из следующих частей:

• Датчик-преобразователь - датчик, который отправляет и принимает звуковые волны.
• Центральный процессор (ЦП) - компьютер, который выполняет все вычисления и содержит источники электропитания для себя и датчика преобразователя.
• Управление импульсами преобразователя - изменяет амплитуду, частоту и длительность импульсов, излучаемых датчиком преобразователя.
• Дисплей - отображает изображение из ультразвуковых данных, обработанных ЦП.
• Клавиатура / курсор - ввод данных и измерение с дисплея
• Дисковое запоминающее устройство (жесткий диск, дискета, компакт-диск) - хранит полученные образы
• Принтер - печатает изображение из отображаемых данных.

Датчик-преобразователь - это основная часть ультразвукового аппарата. Зонд преобразователя издает звуковые волны и принимает эхо. Это, так сказать, рот и уши аппарата УЗИ. Преобразователь-зонд генерирует и принимает звуковые волны, используя принцип, называемый пьезоэлектрическим ( электрическое давление ) эффектом , который был открыт Пьером и Жаком Кюри в 1880 году. В зонде есть один или несколько кристаллов кварца, называемых пьезоэлектрическими кристаллами.. Когда к этим кристаллам подается электрический ток, они быстро меняют форму. Быстрые изменения формы или колебания кристаллов производят звуковые волны, распространяющиеся наружу. И наоборот, когда на кристаллы попадают звуковые волны или волны давления, они излучают электрические токи. Следовательно, одни и те же кристаллы можно использовать для отправки и приема звуковых волн. Зонд также имеет звукопоглощающее вещество для устранения обратных отражений от самого зонда и акустическую линзу, которая помогает фокусировать излучаемые звуковые волны.

Преобразователи бывают разных форм и размеров, как показано на фотографии выше. Форма зонда определяет его поле зрения, а частота излучаемых звуковых волн определяет глубину их проникновения и разрешение изображения. Датчики преобразователя могут содержать один или несколько кристаллических элементов; в многоэлементных пробниках каждый кристалл имеет свою собственную цепь. Преимущество многоэлементных зондов состоит в том, что ультразвуковым лучом можно «управлять», изменяя синхронизацию, в которой каждый элемент получает импульс; управление лучом особенно важно при ультразвуковом исследовании сердца (см. Основные принципы ультразвукового исследования) подробнее о преобразователях). В дополнение к датчикам, которые можно перемещать по поверхности тела, некоторые датчики предназначены для введения через различные отверстия тела (влагалище, прямая кишка, пищевод), чтобы они могли приблизиться к исследуемому органу (матка, простата). железа, желудка); Подойдя ближе к органу, вы сможете увидеть более подробные изображения.

Детали ультразвукового аппарата.

Центральный процессор - это мозг ультразвукового аппарата. ЦП - это, по сути, компьютер, который содержит микропроцессор, память, усилители и источники питания для микропроцессора и датчика преобразователя. ЦП посылает электрические токи на зонд преобразователя для излучения звуковых волн, а также принимает электрические импульсы от зондов, которые были созданы из отраженных эхо-сигналов. ЦП выполняет все вычисления, связанные с обработкой данных. После обработки необработанных данных ЦП формирует изображение на мониторе. ЦП также может хранить обработанные данные и / или изображение на диске.

Элементы управления импульсами преобразователя позволяют оператору, называемому ультразвуком, устанавливать и изменять частоту и длительность ультразвуковых импульсов, а также режим сканирования аппарата. Команды оператора преобразуются в изменение электрических токов, которые прикладываются к пьезоэлектрическим кристаллам в зонде преобразователя.

Различные виды ультразвука​

3-х мерные ультразвуковые изображения.

Ультразвук, который мы описали до сих пор, представляет собой двухмерное изображение или «срез» трехмерного объекта (плода, органа). В настоящее время используются два других типа ультразвука: трехмерная ультразвуковая визуализация и допплерография.

В последние несколько лет были разработаны ультразвуковые аппараты, способные создавать трехмерные изображения. В этих машинах несколько двумерных изображений получают путем перемещения датчиков по поверхности тела или вращения вставленных датчиков. Затем двухмерные сканированные изображения объединяются с помощью специализированного компьютерного программного обеспечения для формирования трехмерных изображений.

Трехмерная визуализация позволяет лучше рассмотреть исследуемый орган и лучше всего подходит для:

• Раннее обнаружение злокачественных и доброкачественных опухолей (обследование предстательной железы для раннего выявления опухолей, поиск новообразований в толстой и прямой кишке, обнаружение поражений груди для возможной биопсии)
• Визуализация плода для оценки его развития, особенно для наблюдения аномального развития лица и конечностей
• Визуализация кровотока в различных органах или у плода

Ультразвук Доплера основан на эффекте Доплера. Когда объект, отражающий ультразвуковые волны, движется, он изменяет частоту эхо-сигналов, создавая более высокую частоту, если он движется к датчику, и более низкую частоту, если он удаляется от датчика. Насколько изменится частота, зависит от того, насколько быстро движется объект. Допплеровский ультразвук измеряет изменение частоты эхо-сигналов, чтобы вычислить, насколько быстро движется объект. Допплерография используется в основном для измерения скорости крови потока через сердце и крупные артерии.

Основные области применения ультразвука​

Ультразвук используется в различных клинических условиях, включая акушерство и гинекологию, кардиологию и диагностику рака. Основное преимущество ультразвука в том, что определенные структуры можно наблюдать без использования излучения. Ультразвук также можно сделать намного быстрее, чем рентген или другие рентгенографические методы. Вот краткий список некоторых применений ультразвука:

Акушерство и гинекология

• измерение размера плода для определения срока родов
• определение положения плода, чтобы увидеть, находится ли он в нормальном положении головой вниз или в тазовом предлежании
• проверка положения плаценты, чтобы убедиться, что она неправильно развивается над отверстием в матку (шейка матки)
• видеть количество плодов в матке
• проверка пола малыша (если хорошо видна область гениталий)
• проверка скорости роста плода путем проведения множества измерений с течением времени
• обнаружение внематочной беременности, опасной для жизни ситуации, при которой ребенок имплантируется в фаллопиевы трубы матери, а не в матку
• определение наличия достаточного количества околоплодных вод, смягчающих ребенка
• наблюдение за ребенком во время специализированных процедур - ультразвук помогает увидеть ребенка и избежать его во время амниоцентеза (забор проб околоплодных вод с помощью иглы для генетического тестирования). Много лет назад врачи проводили эту процедуру вслепую; однако при сопутствующем использовании ультразвука риски этой процедуры резко снизились.
• видя опухоли яичников и груди

Кардиология

• осмотр сердца изнутри для выявления аномальных структур или функций
• измерение кровотока через сердце и крупные кровеносные сосуды

Урология

• измерение кровотока через почки
• видеть камни в почках
• раннее обнаружение рака простаты

В дополнение к этим областям, ультразвук все чаще используется в качестве инструмента быстрой визуализации для диагностики в отделениях неотложной помощи.

Было много опасений по поводу безопасности ультразвука. Поскольку ультразвук - это энергия, возникает вопрос: «Что эта энергия делает с моими тканями или моим ребенком?» Поступали сообщения о рождении детей с низкой массой тела от матерей, которые во время беременности часто проходили ультразвуковое обследование. Две основные возможности использования ультразвука заключаются в следующем:

• выделение тепла - ткани или вода поглощают энергию ультразвука, что локально увеличивает их температуру
• образование пузырьков (кавитация) - когда растворенные газы выходят из раствора из-за местного тепла, вызванного ультразвуком

Однако не было подтвержденных побочных эффектов ультразвука, зафиксированных в исследованиях на людях или животных. При этом ультразвук следует использовать только при необходимости (т.е. лучше быть осторожными).

Ультразвуковое исследование​

Чтобы пройти ультразвуковое исследование, вы идете в комнату с техником и аппаратом УЗИ. Происходит следующее:

1. Вы снимаете одежду (всю или только ту, что находится в интересующей вас области).
2. Ультрасонограф накрывает тканью все открытые участки, которые не нужны для исследования.
3. Ультрасонограф наносит на вашу кожу желе на основе минерального масла - это желе удаляет воздух между зондом и вашей кожей, чтобы помочь прохождению звуковых волн в ваше тело.
4. Ультрасонограф закрывает зонд пластиковой крышкой.
5. Он / она проводит зондом по вашей коже, чтобы получить требуемые изображения. В зависимости от типа исследования зонд может быть вставлен в вас.
6. Вас могут попросить изменить положение, чтобы лучше рассмотреть интересующую область.
7. После получения изображений и проведения измерений данные сохраняются на диске. Вы можете получить бумажную копию изображений.
8. Вам дают салфетку для уборки.
9. Вы оделись.

Будущее ультразвука​

Как и в случае с другими компьютерными технологиями, ультразвуковые аппараты, скорее всего, станут быстрее и будут иметь больше памяти для хранения данных. Датчики-преобразователи могут стать меньше, и будет разработано больше вставляемых датчиков для получения лучших изображений внутренних органов. Скорее всего, 3-D УЗИ получит более широкое развитие и станет более популярным. Весь ультразвуковой аппарат, вероятно, станет меньше, возможно, даже станет портативным для использования в полевых условиях (например, парамедики, сортировка на поле боя). Одной захватывающей новой областью исследований является разработка ультразвуковой визуализации в сочетании с дисплеями типа «хедз-ап / виртуальная реальность», которые позволят врачу «видеть» внутри вас, когда он / она выполняет минимально инвазивную или неинвазивную процедуру, такую как амниоцентез или биопсия.