Каждая точка B-изображения получает яркость, связанную с обработанной амплитудой принятого эха. Координату вдоль луча система оценивает по времени возврата сигнала. Между отражением в ткани и пикселем экрана находятся усиление, выделение огибающей и преобразование диапазона яркости. Отсюда следует важное ограничение: яркость двух кадров можно сопоставлять только при известных условиях их получения.
Устройство и принцип действия
Датчик излучает акустический импульс и принимает отражения от границ тканей. По времени возвращения сигнала система рассчитывает глубину, а по амплитуде формирует яркость изображения. Расчёт расстояния зависит от принятой скорости звука. Если акустические свойства среды отличаются от заложенной модели, геометрическая оценка требует соответствующей методики и настроек.
В B-режиме амплитуда принятого эха представляется яркостью точки. Двумерное изображение складывается из множества направлений сканирования. Термин «серошкальная визуализация» описывает способ отображения, а не отсутствие сложной обработки: пространственное компаундирование, гармоническая визуализация и фильтрация могут существенно менять вид картинки. При сравнении аппаратов следует понимать, какие из этих средств активны.
Для врача важно различать отражательную способность тканей, усиление принимаемого сигнала и преобразование амплитуд в яркость. Для инженера дополнительно существенны диапазон измерительного тракта и диапазон изображения: одинаковое название не делает их одной характеристикой. Настройка DR на панели управления обычно относится к конкретному режиму представления, а не сообщает полный физический диапазон электронного приёмника.
Аппарат УЗИ — диагностическая система, которая формирует изображение тканей по отражённым ультразвуковым сигналам. В отличие от рентгеновской установки, она не использует ионизирующее излучение. Датчик передаёт акустические импульсы и принимает эхо, а электронная система вычисляет положение отражающих структур, обрабатывает амплитуду сигнала и отображает результат. Ультразвуковой сканер позволяет наблюдать движение в реальном времени; специальные режимы предназначены для исследования кровотока и механических свойств тканей.
Представим учебную ситуацию: на двухмерном изображении оператор направил линию через интересующую область, но в глубине по её продолжению находится другой поток. Полученный спектр содержит интенсивную низкоскоростную составляющую и менее плотную высокоскоростную огибающую. Ошибка состоит в том, чтобы автоматически приписать обе кривые одному анатомическому объекту только потому, что курсор проходит через него. Непрерывный режим не предоставляет такой гарантии, а яркость компонента отражает не только величину скорости, но и условия формирования принятого сигнала.
Из этого следует важная практическая оговорка: линия на двухмерном изображении показывает направление допплеровского исследования, а не гарантированное место происхождения каждой спектральной составляющей. Если вдоль линии расположены несколько движущихся структур, принимающий тракт может зарегистрировать их совместно. Увеличение яркости спектра не помогает автоматически разделить источники. Для установления анатомической принадлежности используют совокупность двухмерной визуализации, цветового картирования, временных соотношений и результатов других доступных режимов в рамках методики исследования.
В импульсном допплере аппарат связывает время возвращения эха с расстоянием до рассеивающего объекта. Интервал приёма позволяет выделить контрольный объём. В непрерывноволновом режиме излучающая и принимающая части работают одновременно, а в принятом сигнале отсутствует однозначная временная метка отдельного зондирующего импульса. Поэтому спектр формируется из сигналов, поступающих из зоны перекрытия передающего и принимающего пучков. Она имеет определённую пространственную чувствительность, но не является выбранным оператором ограниченным по глубине контрольным объёмом.
Что определяет результат
Динамический диапазон в настройках ультразвукового изображения определяет, какой интервал уровней сигнала отображается доступными оттенками серого. Изменение этой настройки способно сделать картинку мягкой и насыщенной полутонами или более контрастной, с выраженным разделением тёмных и светлых участков. Однако увеличение визуальной резкости не обязательно означает получение новой диагностической информации. Система может просто иначе представить уже зарегистрированные уровни эха.
Динамический диапазон влияет на отображение различий амплитуды, а усиление — на представление принятого сигнала. Ни один из этих регуляторов не является прямой мерой разрешающей способности. Сглаженное изображение может выглядеть привлекательнее, но скрывать мелкие неоднородности; чрезмерная резкость способна подчёркивать шум. Для оценки аппаратуры нужны исходные условия получения изображения, а не только готовый скриншот.
Отсутствие импульсного алиасинга не делает измерительный тракт бесконечным. У конкретной системы остаются ограничения полосы приёмника, обработки, поддерживаемого датчика и диапазона отображения. Если спектр не помещается на экране, сначала необходимо различить обрезку визуального диапазона, особенности масштабирования и собственно ограничение измерения. Перемещение нулевой линии перераспределяет место на экране, но не меняет анатомическую принадлежность сигнала и не исправляет ошибку направления луча. Поэтому сохранённое изображение должно включать шкалу и обозначение режима.
Обычный растровый кадр содержит значения пикселей, сформированные после определённой обработки. Он показывает результат, но не обязательно сохраняет информацию, необходимую для изменения параметров более ранних этапов. Например, изменение яркости готовой картинки не эквивалентно изменению усиления в тракте формирования изображения. Одинаковое название регулятора в двух программах не гарантирует одинакового действия.
Цветовое картирование дополнительно требует оценки последовательности сигналов. Компаундинг объединяет информацию, полученную при разных направлениях insonation. Некоторые режимы формирования гармонического изображения также используют несколько передач. Следовательно, понятие «частота кадров» нельзя анализировать отдельно от активного набора технологий. Сравнение двух систем с разными комбинациями обработки не позволяет изолировать вклад процессора или датчика.
Сначала задают минимально достаточную глубину, сохраняя необходимые анатомические ориентиры. Затем выбирают ширину поля, положение фокуса и режимы формирования изображения. После этого оценивают движение в реальном времени и только затем уточняют пространственную обработку. Такая последовательность помогает не расходовать ресурс на область, не относящуюся к задаче.
Определение глубины отражателя по задержке эха
Импульсно-эховый метод использует время между посылкой и возвратом отражения для привязки мишени к глубине. Отсчёт времени содержит два участка пути. Если принять полное пройденное расстояние за глубину, изображённое положение отражателя окажется вдвое дальше.
Для однородного учебного материала принимаем скорость звука 1,54 мм/мкс. Измеренный интервал включает путь к мишени и обратно. Отделим глубину от полной длины пути.
В этом примере на горизонтальной оси отложен показатель «Задержка эха, мкс», на вертикальной — «Глубина отражателя, мм». Для первой точки исходная величина равна 20, расчётный результат — 15,4. Для точки 80 получаем 61,6. Последняя пара значений — 120 и 92,4. Все подписи относятся к одной модели и к единицам, приведённым на осях.
Для фантома с другой скоростью звука используется его паспортное значение. Отклонение шкалы может быть связано с материалом, а не с электроникой датчика.
| Задержка эха, мкс | Глубина отражателя, мм |
|---|---|
| 20 | 15,4 |
| 40 | 30,8 |
| 80 | 61,6 |
| 120 | 92,4 |
Проверьте две мишени на разных глубинах. Постоянная добавка к задержке и неверно заданная скорость звука дают разные закономерности смещения шкалы.
Применение и ограничения
Эхосигналы могут существенно различаться по амплитуде. Чтобы представить их на дисплее с ограниченными возможностями яркости, применяют преобразование уровней, в том числе логарифмическую компрессию и карту серого. Пользователь видит результат нескольких этапов обработки, а не прямой линейный график напряжения датчика. Поэтому удвоение экранной яркости нельзя трактовать как удвоение физического отражения.
При оценке изображений пользователь естественно предпочитает чёткие границы. Но граница может стать заметнее из-за преобразования яркости, а не из-за улучшения различения двух близко расположенных объектов. Пространственное разрешение и контрастная различимость связаны с разными ограничениями. Изменение DR не делает ультразвуковой пучок автоматически уже и не устраняет частичный объём.
В сохранённом протоколе полезно указать глубину, поле, число фокусов, режим гармоники, компаундинг, временное усреднение и частоту кадров. Эти сведения особенно важны при повторном исследовании или сравнении двух систем. Без них различие изображений может отражать настройки, а не изменение объекта или технических возможностей оборудования.
Децибел является логарифмической единицей отношения. Для амплитуд при согласованных условиях применяется выражение двадцать десятичных логарифмов отношения, для мощностей — десять. Поэтому число децибел нельзя напрямую читать как количество градаций серого. Между логарифмическим уровнем, цифровым кодом и фактической яркостью экрана находятся отдельные преобразования.
Для врача этот пример объясняет необходимость повторно оценивать индикацию после смены режима. Для инженера он задаёт границу обычной функциональной проверки: наблюдение экранных индексов подтверждает поведение интерфейса, но не измеряет акустическое поле. Если подозрение относится именно к выходному сигналу, нужны предусмотренные изготовителем сервисные методы и специализированная измерительная аппаратура. Обычное сравнение яркости изображения на фантоме такую задачу не решает.
Повышение выходной акустической мощности изменяет передаваемый сигнал. Увеличение приёмного усиления изменяет обработку уже принятого эха. Оба действия могут сделать изображение ярче, но физически они неэквивалентны. Поэтому оценивать воздействие по яркости картинки неверно: тёмное изображение не обязательно означает низкую мощность, а яркое — высокую.
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 · Ультразвуковая система EDAN U2
Система формирует изображение на основании отражённых ультразвуковых сигналов, полученных подключённым преобразователем. В B-режиме амплитуда эхосигнала представляется яркостью точки, а совокупность данных формирует анатомический срез. Для интерпретации важны не только различия яркости, но и контуры, взаимное расположение структур и акустические эффекты. Врач выбирает датчик, частоту, глубину и фокусировку таким образом, чтобы исследуемая область была представлена достаточно подробно. Увеличение картинки само по себе не создаёт новых диагностических данных.
Ультразвуковая система EDAN U2
Пример оборудования · Ультразвуковая система GE HealthCare LOGIQ V2
Основой исследования является B-режим, в котором аппарат формирует изображение анатомии по отражённым ультразвуковым сигналам. Для достоверной оценки врач подбирает глубину, усиление и положение датчика, добиваясь различимости нужных границ. Избыточная яркость может скрывать низкоэхогенные участки, недостаточная — создавать впечатление отсутствия структуры. Поэтому перед измерениями следует убедиться, что объект представлен полностью и его контуры не определяются преимущественно шумом или артефактами.
Ультразвуковая система GE HealthCare LOGIQ V2
Пример оборудования · Ультразвуковая система Fukuda Denshi UF-760AG
В основе UF-760AG находится цифровое многолучевое формирование изображения. В В-режиме аппарат отображает пространственное распределение отражённых ультразвуковых сигналов, позволяя оценивать контуры, эхогенность и внутреннюю структуру органов. Приёмное фокусирование выполняется динамически. Положение передающего фокуса выбирают применительно к зоне интереса, чтобы получить полезную детализацию именно там, где предстоит измерение или оценка структурных изменений.
Тканевая гармоника позволяет использовать нелинейные свойства распространения ультразвука для формирования изображения. Доступность и выбор частот связаны с преобразователем. В дополнение к ручной настройке предусмотрена автоматическая частотная адаптация AFA. Гармонический режим не должен включаться механически для любого случая: врач сравнивает видимость границ, проникновение и артефакты в конкретном акустическом окне, выбирая диагностически полезный вариант.
Ультразвуковая система Fukuda Denshi UF-760AG
Связь с другими технологиями
Реверберация в ультразвуковом изображении
Реверберация возникает, когда часть волны неоднократно отражается между границами. Поздний сигнал аппарат помещает дальше по лучу, поскольку при обычном построении кадра предполагается единственный путь туда и обратно. Так возникают повторяющиеся отражатели. Их поведение при изменении угла сканирования даёт информацию о происхождении изображения.
Формирование изображения в плоскопанельном детекторе
Плоскопанельный детектор преобразует распределение прошедшего излучения в цифровую матрицу. В одном варианте сначала возникает световой сигнал, в другом заряд формируется непосредственно в чувствительном слое. Итоговое изображение зависит от взаимодействия конвертера, элементов считывания и коррекции неоднородности.
Сравнение смежных понятий
| Понятие | Что оно описывает |
|---|---|
| Формирование полутонового изображения в B-режиме | Каждая точка B-изображения получает яркость, связанную с обработанной амплитудой принятого эха. |
| Реверберация в ультразвуковом изображении | Реверберация возникает, когда часть волны неоднократно отражается между границами. |
| Усреднение изображений и движение между кадрами | Объединение нескольких наблюдений может уменьшить вклад независимого шума. |
По теме в энциклопедии
- Реверберация в ультразвуковом изображении
- Формирование изображения в плоскопанельном детекторе
- Усреднение изображений и движение между кадрами
- Ультразвуковой биомикроскоп UBM: высокочастотный датчик и геометрия переднего сегмента
- Аппарат УЗИ: что это, как устроен ультразвуковой сканер и что важно при выборе
- Динамический диапазон УЗИ: компрессия сигнала и градации серого
- Непрерывноволновой допплер: высокие скорости и отсутствие разрешения по глубине