Основы физики ультразвука. Допплерография

Красноярский государственный медицинский университет им. В.Ф. Войно-Ясенецкого

Кафедра лучевой диагностики

Института последипломного образования

к.м.н. Евдокимова Е.Ю.

Физические основы ультразвуковой диагностики

Звуковая волна по природе является волной сжатия/разряжения: молекулы сжимаются или растягиваются в направлении распространения волны.

Ультразвуковая волна – это звуковые

колебания, превышающие 20Кгц

λ – длина волны,

Т – период одного

полного колебания

Частота – это число полныхколебаний за 1 сек.

f = 1/Т

Физические основы ультразвуковой диагностики

λ = СТ = С/f

C – скорость звука (1540 м/с)

Т – период одного полного колебания f - частота

λ = 0,44 мм при f =3,5 МГцλ = 0,31 мм при f =5,0 МГцλ = 0,21 мм при f =7,5 МГцλ = 0,15 мм при f =10,0 МГц

Чем меньше длина волны, тем выше разрешающая способность

Физические характеристики биологических сред

ОтражениеПреломление – изменение направления распространения волн при переходе из одной среды в другую

Рассеивание – возникновение множественных изменений направления распространения ультразвука при неоднородностях биологической среды

Поглощение – переход энергии УЗ-волн в другие виды энергии

ЗАТУХАНИЕ

Чем больше частота, тем больше коэффициент затухания

Скорость УЗ-волн в различных средах и акустические сопротивления сред

Среда Скорость звука, м/с

Плотность относительно воды, ρс/ρв

Акустическое сопротивление, Z

Воздух 343 1,2х10-3 0,3х10-3

Дист. вода 1480 1,0 1,0

Легкие 400-1200 - -

Жировая ткань 1350-1470 0,95 0,86—0,94

Кровь 1540-1600 1,06 1,09

Мышечная ткань

1560-1620 1,07 1,13-1,18

Костная ткань 2500-4300 1,2-1,8 2,2-5,0

Отражение и преломление ультразвука на границе сред

Падающая волна

Отраженная волна

Прошедшая волна

Среда 1

Среда 2

Отражение и преломление ультразвука на границе сред

Падающая волна

Отраженная волна

Преломленная волна

Среда 1

Среда 2

α

β

αотр

Скорость УЗ-волн в различных средах и акустические сопротивления сред

Среда Скорость звука, м/с

Плотность относительно воды, ρс/ρв

Акустическое сопротивление, Z

Воздух 343 1,2х10-3 0,3х10-3

Дист. вода 1480 1,0 1,0

Легкие 400-1200 - -

Жировая ткань 1350-1470 0,95 0,86—0,94

Кровь 1540-1600 1,06 1,09

Мышечная ткань

1560-1620 1,07 1,13-1,18

Костная ткань 2500-4300 1,2-1,8 2,2-5,0

Акустическое сопротивление: Z = ρ х Сгде ρ - плотность среды, С –скорость ультразвука

Коэффициент отражения, Котр

Граница сред К отр, %

Кровь-мышца 1,5

Кровь-печень 2,7

Мышца-жир 10

Печень -конкременты 0-17

Мышца-кость 64

Воздух- мягкие ткани 99,95

Котр = ρотр/ρпад

Зависит от разницы акустического сопротивления

Схема ультразвукового датчика

Преобразует

электрические сигналы в

механические и наоборот;

обеспечивает

формирование луча

нужной формы;

выполняет

сканирование с помощью

специальных

коммутаторов и

управляющих сигналов

Типы ультразвуковых датчиков

Как и секторный, но

для расширения

зоны обзора на разных

глубинах

Поверхностно расположенные

органы, кровеносные

сосуды

Cердце

Органы брюшной области,

малого таза, мягких тканей

Методика трансректального ультразвукового

исследования (ТРУЗИ)

Основные характеристики УЗ-сканеров

Пространственная разрешающая способность;

Чувствительность;

Динамический диапазон;

Временная разрешающая способность

Продольная разрешающая способность

а– хорошее разрешение, б – предельное разрешение, в – разрешения нет

Продольная разрешающая способность

1. Зондирующий

импульс с более

высокой частотой.

2. Имеет короткий

интервал во

времени

Продольная разрешающая способность

увеличивается, если;

Поперечная разрешающая способность

Поперечная разрешающая способность

увеличивается, если повысить плотность

лучей

Основные характеристики УЗ-сканеров

Чувствительность – способность обнаруживать и наблюдать малые элементы структуры на фоне помех.

Определяет малую рабочую глубину работы прибора, на которой еще обеспечивается уровень полезных сигналов

Основные характеристики УЗ-сканеров

Динамический диапазон – способность системы отображать малые и большие сигналы, передавая различие в их уровне.

Контрастная разрешающая способность

Основные характеристики УЗ-сканеров

Временная разрешающая способность – это способность системы воспринимать и отображать с достаточной скоростью изменение акустических характеристик

Зависит от максимальной частоты кадров прибора в секунду

Артефакты

Реверберация

Артефакты

Искажения из-за различия в скорости проведения ультразвука различными средами

Эффективная отражательная поверхность

Основы допплерографии. Дуплексное сканирование. Цветовое и энергетическое

допплеровское картирование

При отражении от движущихся клеток крови изменяется частота

ультразвукового сигнала, постоянно излучаемого одним

пезоэлектрическим кристаллом и воспринимаемого другим (непрерывная

допплерография) или одним пьезокристаллом, который одновременно передает и

воспринимает отраженные колебания (импульсная допплерография)

Эффект ДопплераЭффект Допплера

Допплеровский сдвиг частот (∆f) (разность между частотой посылаемого и отраженного

ультразвука) зависит от: - скорости движения (v) эритроцитов

(отражателя),

- угла между вектором скорости эритроцитов и вектором ультразвукового луча(α)

- скорости распространения звука в среде (с),

- частоты излучателя (f0)

V = ∆f ∙ с / 2f0 ∙ cos α.

f0

αV

Уравнение Допплера

V = ∆f ∙ с / 2f0 ∙ cos α.

f0

αV

Данная зависимость описывается уравнением Допплера:

∆f= 2 ∙v ∙f0 ∙ cos α / c Преобразование этого уравнения позволяет вычислить скорость

движения эритроцитов по следующей формуле:

V = ∆f ∙ с / 2f0 ∙ cos αПрибор регистрирует сдвиг допплеровских частот (∆f).

Скорость распространения звука – величина постоянная (1540м/сек), а исходная частота излучения соответствует средней частоте датчика

1. Чем меньше частота УЗ-сигнала, тем большие скорости кровотока могут быть измерены (для исследования быстрых кровотоков следует выбирать датчик с наименьшей частотой)

2. Оптимальный угол между направлением УЗ-луча и направлением кровотока 25 – 60°

V = ∆f ∙ с / 2f0 ∙ cos α

Влияние допплеровского угла на измерение допплеровского сдвига частот

позволяет зарегистрировать скорость и направление движения крови;

Представляет собой кривую допплеровского сдвига частот, развернутую во времени;

Кровоток, направленный от датчика – внизу изолинии, к датчику – выше ее;

Звуковой сигнал необходим для корректировки датчика, звук не является аналогом аускультативных звуков

Допплеровский режим:Допплеровский режим:

Ламинарный характер кровотока

N.B.! Средняя скорость кровотока в крупных сосудах значительно выше, чем в мелких

Турбулентный характер кровотока

N.B.! Турбулентное движение может наблюдаться не только при патологии, но и в норме

Допплеровские спектрограммы ламинарного и турбулентного потоков в

кровеносном сосуде

«окно» внутри допплеровской спектрограммы

Отсутствие «окна»

Все участники движения (эритроциты) движутся с одной скоростью и в одном направлении

Все участники движения (эритроциты) движутся с различными скоростями и в разные направления. Препятствие на пути кровотока

(бляшка, тромб, опухоль) создает турбулентность потока.

Цветовое допплеровское картирование кровотока

Потоки, направленные к датчику кодируются

красным цветом

Потоки, направленные от датчика кодируются

синим цветом

Цветовое допплеровское картирование области каротидной бифуркации

Равномерное заполнение цветом

просвета общей сонной артерии и её ветвей

Дуплексное сканирование включает одновременное использование двух режимов изображения. Обычно это черно-белое двумерное

изображение и спектральная или цветовая допплерография (ЦДК). Такой режим сканирования позволяет увидеть потоки крови в

сосудистом русле

Дуплексное сканирование с цветовым допплеровским картированием (ДС с ЦДК)

Двухмерная эхограмма в сочетании с

цветовым допплеровским картированием

кровотока в общей сонной и её ветвях

Допплеровская спектрограмма –

графическое представление

изменения скорости потока в сонной

артерии за 4 сердечных цикла

Систолическая (пиковая) скорость

кровотока

Диастолическая скорость кровотока

Монофазный поток (артерии с низким периферическим сопротивлением, вены)

Бифазный (двухфазный) поток (появление инцизуры)

Трехфазный поток (имеет раннюю диастолу, напр. аорта)

Организованный (ламинарный) поток

Дезорганизованный (турбулентный) поток

Качественная характеристикаКачественная характеристикадопплеровского спектра сдвига частотдопплеровского спектра сдвига частот

Пиковая систолическая скорость,V max

Конечная диастолическая скорость, V min

Средняя скорость, TAMX

Индексы сопротивления:

индекс резистентности RI

пульсаторный индекс PI

Количественная характеристикаКоличественная характеристикадопплеровского спектра сдвига частотдопплеровского спектра сдвига частот

S - D

D

S - D

Vcp

RI =

PI =

Сосуды с высоким периферическим Сосуды с высоким периферическим сопротивлениемсопротивлением

аорта

брыжеечные артерии

артерии, кровоснабжающие конечности

Спектр кровотока в бедренной артерии. Трехфазный потокфазный поток

сонные и позвоночные артерии,

почечные артерии,

артерии, кровоснабжающие паренхиматозные органы и мочеполовую систему

Сосуды с низким периферическим Сосуды с низким периферическим сопротивлениемсопротивлением

Двухфазный поток в Двухфазный поток в наружной сонной артерии наружной сонной артерии

(норма)(норма)

Спектр кровотока в селезеночной артерии

Непарные висцеральные артерии

Чревный ствол Верхняя брыжеечнаяартерия

СС –128 см/сRI – 0.67 PI -1.3

СС –136 см/cRI– 0.84 PI -2.7

Кунцевич Г.И., 2002

Спектр кровотока в селезеночной вене

Монофазный тип потока в воротной вене

Спектр кровотока в печеночных венах

Полная независимость от допплеровского угла

Повышенная чувствительность

Большая частота кадров

Энергетический допплер Энергетический допплер ((power Doppler, color angio, color Doppler power Doppler, color angio, color Doppler

energyenergy …) …)

Повышенная чувствительность к любому движению (перемещение датчика, сдвиг мягких тканей и т.д.)

Недостатки

1. Лучевая диагностика: учебник: в 2 т. п/ред. Г.Е. Труфанова.-М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009

2. Лучевая диагностика: учебник: Васильев А. Ю., Ольхова Е. Б. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008

3. Лучевая диагностика и терапия : в 2 т. Терновой С. К. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010

4. Лучевая диагностика заболеваний печени (MPT, КТ, УЗИ, ОФЭКТ и ПЭТ): руководство для врачей ред. Г. Е. Труфанов М. : ГЭОТАР-Медиа, 2008

5. Онкология: национальное руководство гл. ред. В.И. Чиссов М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008

6. Атлас лучевой анатомии человека Филимонов В.И. [и др.] М. ГЭОТАР-Медиа, 2010

7. Ультразвуковая диагностика: сб. ситуационных задач с эталонами ответов для подготовки к сертификационному экзамену врачей-курсантов (врачей-интернов, клинических ординаторов), обучающихся по спец. 040122.11 – Ультразвуковая диагностика Режим доступа: ttp://krasgmu.ru/src/lib/1835_1323234251.pdf ред. С. И. Жестовская [и др.] Красноярск: тип. КрасГМУ, 2011 ЭБС КрасГМУ

Литература