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 полных колебаний 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 МГц λ = 0,31 мм при f =5,0 МГц λ = 0,21 мм при f =7,5 МГц λ = 0,15 мм при f =10,0 МГц Чем меньше длина волны, тем выше разрешающая способность

Физические характеристики биологических сред Отражение Преломление – 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 ЗАТУХАНИЕЗАТУХАНИЕ Чем больше частота, тем больше коэффициент затухания

Скорость УЗ-волн в различных средах и акустические сопротивления сред СредаСкорость звука, м/с Плотность относительно воды, ρ с/ ρ в Акустическое сопротивление, Z Воздух3431,2х ,3х10 -3 Дист. вода14801,0 Легкие Жировая ткань ,950,860,94 Кровь ,061,09 Мышечная ткань ,071,13-1,18 Костная ткань ,2-1,82,2-5,0

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 α отр

Скорость УЗ-волн в различных средах и акустические сопротивления сред СредаСкорость звука, м/с Плотность относительно воды, ρ с/ ρ в Акустическое сопротивление, Z Воздух3431,2х ,3х10 -3 Дист. вода14801,0 Легкие Жировая ткань ,950,860,94 Кровь ,061,09 Мышечная ткань ,071,13-1,18 Костная ткань ,2-1,82,2-5,0 Акустическое сопротивление: Z = ρ х С где ρ - плотность среды, С –скорость ультразвука

Коэффициент отражения, К отр Граница средК отр, % Кровь-мышца1,5 Кровь-печень2,7 Мышца-жир10 Печень -конкременты0-17 Мышца-кость64 Воздух- мягкие ткани99,95 К отр = ρ отр/ ρ пад 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 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 α V

Уравнение Допплера V = f с / 2f0 cos α. f0 α V 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 α Прибор 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:

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 характеристика допплеровского 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 характеристика допплеровского спектра сдвига частот S - D D S - D Vcp RI = PI =

Сосуды с высоким периферическим сопротивлением аорта брыжеечные артерии артерии, кровоснабжающие конечности фазный поток Спектр кровотока в бедренной артерии. Трехфазный поток

сонные и позвоночные артерии, почечные артерии, артерии, кровоснабжающие паренхиматозные органы и мочеполовую систему Сосуды с низким периферическим сопротивлением Двухфазный поток в наружной сонной артерии (норма)

Спектр кровотока в селезеночной артерии

Непарные висцеральные артерии Чревный ствол Верхняя брыжеечная артерия СС –128 см/с RI – 0.67 PI -1.3 СС –136 см/c RI– 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 (power Doppler, color angio, color Doppler energy …) Повышенная чувствительность к любому движению (перемещение датчика, сдвиг мягких тканей и т.д.) Недостатки