При электронном сканировании направление или положение чувствительной области меняют за счёт выбора групп элементов и задержек между ними. Аппарат последовательно получает строки данных и собирает из них кадр. Форма полученного поля зависит и от геометрии решётки, и от того, какие направления реализует система.
Устройство и принцип действия
Элементы решётки работают согласованно. Задержки возбуждения и приёма позволяют формировать направление и фокусировку акустического пучка. Полученный сигнал усиливается, преобразуется в цифровую форму и проходит обработку. Следовательно, качество изображения определяется не только числом физических элементов датчика: важны апертура, полоса частот, шум приёмного тракта, алгоритмы формирования луча и режим сканирования.
В физическом фантоме ультразвук действительно распространяется в материале и отражается от включений. В виртуальной системе положение учебного датчика управляет программным изображением. В системе на основе записей пользователь получает данные из подготовленного набора. Все варианты могут быть полезны, но проверяют разные стороны навыка: физику сканирования, пространственную координацию или распознавание клинических признаков.
Основные элементы системы — датчики, передающий тракт, приёмная электроника, формирователь луча, вычислительная платформа, интерфейс оператора и средства хранения. В большинстве привычных датчиков электрическая энергия преобразуется в механические колебания пьезоэлектрическими элементами.
Ультразвуковые сигналы отражаются от границ тканей и жидкостных областей. Система получает пространственную информацию в рамках собственной схемы сканирования, выделяет предполагаемую область мочевого пузыря и оценивает её объём. Способ регистрации, число срезов и алгоритм зависят от модели. Поэтому разные устройства нельзя считать одинаковыми только потому, что они показывают результат в миллилитрах.
В дистальной части располагается ультразвуковая решётка. Электронное управление элементами формирует лучи и область сканирования. В зависимости от конструкции доступны двумерные сечения или объёмные данные. Механическое изменение положения катетера и электронное изменение плоскости — разные способы изменения изображения, и их возможности определяются моделью.
Эндоскопическая ультразвуковая система объединяет ультразвуковую визуализацию с эндоскопическим доступом. Преобразователь располагается в составе специального эндоскопа либо совместимого зонда, поэтому изображение получают из положения, отличающегося от наружного сканирования. Система позволяет оценивать структуры в пределах её назначения, которые не видны при одном только оптическом осмотре поверхности.
В некоторых конфигурациях используются миниатюрные ультразвуковые зонды. Их конструкция, способ сканирования и применение отличаются от полноразмерных эхоэндоскопов. Поддержка мини-зондов должна быть указана отдельно, включая адаптеры и доступные функции. Нельзя выводить её из общего заявления «поддерживает эндоскопическое УЗИ».
UBM отличается от обычного офтальмологического B-сканирования выбором частоты, фокусировкой и масштабом исследования. Высокая детализация достигается ценой ограниченной глубины проникновения. Поэтому биомикроскоп не является универсальной заменой ультразвукового исследования всего глаза. В комбинированной платформе эти задачи обычно решаются разными датчиками и режимами.
В описании «Ультразвуковая система EDAN Acclarix LX3» важна оговорка в строке «Около 1,5 часа при равном чередовании сканирования и стоп-кадра». Уточнение следует переносить в графу вместе с величиной. Если условия в двух документах различаются или приведены только для одной модели, равенство чисел не доказывает совпадения результатов в одном испытании.
Что определяет результат
Совмещение ультразвукового изображения с КТ или МРТ, часто называемое fusion imaging, связывает текущую плоскость УЗ-сканирования с ранее полученным объёмом другой модальности. При движении датчика система показывает соответствующее сечение КТ или МРТ рядом либо в наложении. Это помогает сопоставлять анатомию, но точность результата зависит от регистрации координат, отслеживания датчика и изменений положения и формы органов.
Осевое разрешение относится к различению структур вдоль направления распространения ультразвука, а боковое — к разделению соседних объектов поперёк луча. Эти характеристики меняются в зависимости от геометрии и расстояния. Одно число «разрешение» без уточнения направления и условий недостаточно для технического сравнения.
При анализе результата полезно выяснять не только продолжительность, но и способ регистрации. Механическое сканирование, электронный объёмный сбор и совмещение нескольких циклов имеют разные ограничения. Общее обозначение «3D» не описывает, насколько одновременно получены данные и какие предпосылки использованы для их объединения.
Ультрабыстрое ультразвуковое сканирование плоскими волнами меняет последовательность получения данных. Вместо последовательного формирования множества узких передающих линий система облучает широкую область и восстанавливает изображение по сигналам, принятым элементами решётки. Это позволяет регистрировать быстрые процессы, однако высокая частота передачи не равна частоте независимых качественных изображений и тем более не гарантирует точность любого измерения.
Эта зависимость не является готовой поправкой для любого пациента. Она предполагает прямолинейный путь, однородную среду и корректную идентификацию одного отражателя. В организме луч проходит через несколько тканей, может преломляться и испытывать неодинаковые задержки по апертуре. Измеряемое расстояние между двумя границами также не всегда соответствует глубине одной точки. Поэтому простая формула помогает понять направление ошибки, но не позволяет автоматически пересчитать клиническую биометрию по внешнему предположению о составе тканей.
Ультразвуковой расчёт объединяет несколько измерительных этапов: определение просвета, оценку геометрии луча, регистрацию скоростей и их усреднение. Ошибка любого этапа влияет на конечное число. При сравнении двух исследований нужно выяснить, одинаково ли выполнены все эти действия, а не ограничиваться названием сосуда и итоговым расходом.
Тканевой допплер, TDI, регистрирует скорость движения ткани вдоль направления ультразвукового луча. В эхокардиографии его используют для анализа движения миокарда и клапанных колец. В отличие от обычной настройки для кровотока, здесь требуется выделять относительно низкоскоростной тканевой сигнал с другими амплитудными характеристиками. Поэтому тканевой режим нельзя воспроизвести одним изменением цветовой шкалы обычного допплера.
Сдвиг максимума при электронном отклонении
На глубине 40 мм отметим пересечение центральной линии идеального луча с поперечной плоскостью. Точка выхода условно неподвижна, а угол отклонения меняется.
В этом примере на горизонтальной оси отложен показатель «Угол отклонения, °», на вертикальной — «Поперечное смещение, мм». Для первой точки исходная величина равна 0, расчётный результат — 0. Для точки 20 получаем 14,559. Последняя пара значений — 30 и 23,094. Все подписи относятся к одной модели и к единицам, приведённым на осях.
| Угол отклонения, ° | Поперечное смещение, мм |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 10 | 7,0531 |
| 20 | 14,559 |
| 30 | 23,094 |
Положение оси можно найти из прямоугольного треугольника. Ширина реального луча, боковые лепестки и качество отражённого сигнала в эту геометрическую модель не входят.
Применение и ограничения
Упорядоченные волокнистые структуры отражают ультразвук неодинаково при разных углах падения. Поэтому сухожилие может выглядеть гипоэхогенным при отклонении луча от благоприятного направления. Такой участок нельзя автоматически трактовать как повреждение. Проверка в ортогональной плоскости и контролируемое изменение наклона помогают оценить угловую зависимость признака.
Совместимость особенно важна для оптики, электроники, тонких покрытий и соединений. Нельзя считать ультразвуковую обработку безопасной для любой детали только потому, что она металлическая снаружи. Учитывают изделие целиком и разрешённый способ очистки. При отсутствии ясного указания вопрос решают по документации изготовителя; экспериментальная обработка рабочего медицинского изделия не является приемлемой проверкой совместимости.
Ультразвуковая энергия сама нагревает жидкость. Отключённый электрический нагреватель не означает отсутствия роста температуры при длительной работе. Если для инструмента или раствора установлено ограничение, температуру контролируют в предусмотренном порядке. При оценке производительности учитывают не только возможность нагреть ванну, но и необходимость удержать рабочие условия при последовательных загрузках.
Сначала выбирают мишень с известным положением и получают повторные кадры из одной плоскости. Затем меняют только один элемент постановки. Если эффект исчезает после небольшого изменения угла, проверяют зависимость от направления отражения. Если он сохраняется в координатах экрана при перемещении мишени, рассматривают также особенности датчика и обработки. Одного красивого кадра для различения этих причин мало.
Пример из практики
Пример оборудования · Секторный ультразвуковой датчик GE 3Sc-RS
Электронное управление фазированной решёткой позволяет направлять ультразвуковой луч и формировать сектор без механического перемещения всей рабочей поверхности для каждой линии изображения. Врач при этом продолжает изменять положение датчика для получения необходимых проекций. Электронное отклонение луча не отменяет требований к выбору позиции и ориентации. Даже широкое поле не гарантирует видимость всех анатомических структур через одно окно, поскольку на изображение влияют окружающие ткани и условия прохождения сигнала.
Секторный ультразвуковой датчик GE 3Sc-RS
Пример оборудования · Philips X5-1 — матричный датчик для ЭхоКГ и Live 3D
В X5‑1 элементы расположены в пространственной матрице, а электронное управление позволяет изменять направление формирования луча в двух измерениях. В обычном фазированном секторном датчике основная плоскость сканирования задаётся одномерной решёткой. Матричная архитектура добавляет возможность получать связанные плоскости и объём из одного положения головки. Число элементов при этом нельзя отождествлять с числом пикселей на экране или количеством отдельных диагностических каналов, доступных пользователю.
Philips X5-1 — матричный датчик для ЭхоКГ и Live 3D
Пример оборудования · Секторный ультразвуковой датчик GE 3S-RS
В фазированном датчике электронное управление элементами формирует направления ультразвукового луча и создаёт секторное изображение. Контактная поверхность при этом может быть сравнительно небольшой по отношению к раскрывающемуся полю на глубине. Для эхокардиографии это важно при исследовании через межрёберные промежутки. Форма датчика облегчает размещение в доступном окне, но не гарантирует качество изображения независимо от анатомии пациента и условий исследования.
Секторный ультразвуковой датчик GE 3S-RS
Связь с другими технологиями
Пьезоэлектрическая решётка ультразвукового датчика
Пьезоэлектрическая решётка преобразует электрическое возбуждение в акустический импульс, а пришедшее от ткани эхо — обратно в электрический сигнал. Разделение поверхности на элементы позволяет управлять задержками передачи и приёма. Поэтому одна и та же головка может формировать последовательность линий изображения без механического поворота всего датчика.
Ультразвуковое окно и контакт преобразователя
Ультразвуковое окно — участок, через который луч может пройти к интересующей структуре и вернуться к датчику с различимым сигналом. На доступность окна влияют границы сред, положение головки и её наружная форма. Плохой контакт у поверхности и ослабление на глубине создают разные причины потери изображения, хотя на экране обе могут проявиться потемнением участка.
Как интерпретировать наблюдение
КТ или МРТ представлены объёмом с собственной системой координат. Ультразвуковой датчик формирует плоскость или объём в другой системе. Для совместного отображения нужно определить преобразование между ними и знать текущее положение преобразователя. В некоторых системах для этого используют электромагнитный датчик положения, закреплённый на УЗ-датчике, либо встроенное отслеживание.
Наличие режима Needle Visualization не означает, что система распознаёт любое положение кончика и гарантирует его непрерывное сопровождение. Нужно выяснить, что именно реализовано: обработка эха, электронное отклонение, распознавание объекта или отдельная навигационная система. Сходные названия функций на разных платформах могут скрывать принципиально разные источники информации.
Ультразвуковой датчик — часть диагностической системы, которая преобразует электрические сигналы в акустические колебания и принимает отражённые сигналы от тканей. В распространённых конструкциях для этого используются пьезоэлектрические элементы; существуют и другие технологии преобразователей. Датчик не является пассивной насадкой: его геометрия, частотная полоса, чувствительность и совместимость определяют, какие данные способен получить сканер.
Электронная система сканера управляет возбуждением элементов и обработкой принятых сигналов. В решётках задержки позволяют формировать направление и фокусировку. Однако итоговое изображение создаётся совместно датчиком и платформой. Один преобразователь на разных совместимых системах может иметь различный набор доступных режимов из-за аппаратных и программных ограничений.
Ультразвуковой преобразователь передаёт колебания и принимает отражённые сигналы. Движение отражающих структур вызывает допплеровский сдвиг. Электронная обработка выделяет соответствующие компоненты и представляет их через динамик или наушники. Поэтому слышимый звук является обработанным представлением сигнала, а не прямой акустической записью сердца обычным микрофоном.
Сравнение смежных понятий
| Понятие | Что оно описывает |
|---|---|
| Электронное сканирование ультразвукового луча | При электронном сканировании направление или положение чувствительной области меняют за счёт выбора групп элементов и задержек между ними. |
| Фокусировка на передаче и приёме в УЗИ | Фокусировка определяет, где ультразвуковой пучок или область приёмной чувствительности становится уже. |
| Пьезоэлектрическая решётка ультразвукового датчика | Пьезоэлектрическая решётка преобразует электрическое возбуждение в акустический импульс, а пришедшее от ткани эхо — обратно в электрический сигнал. |
По теме в энциклопедии
- Пьезоэлектрическая решётка ультразвукового датчика
- Ультразвуковое окно и контакт преобразователя
- Фокусировка на передаче и приёме в УЗИ
- Аппарат УЗИ: что это, как устроен ультразвуковой сканер и что важно при выборе
- Ультразвуковой тренажёр: фантомы, виртуальные системы и обучение
- Ультразвуковой сканер мочевого пузыря: принцип измерения объёма и выбор
- Внутрисердечная эхокардиография ICE: катетерная матрица и пространственная ориентация