• | Print |
•  Email

Ультразвуковые артефакты

 Йохан Ленг

В отличие от радиографии, при ультразвуковой диагностике многие артефакты могут оказаться полезными. Ясное понимание того, о чем они могут свидетельствовать, помогает в интерпретации изображения. Нарушения условий эксплуатации оборудования УЗИ, в частности, при настройке элементов управления, плохая техника проведения УЗИ или недостаточная подготовка животного - все это в состоянии повлиять на качество и интерпретацию изображения.

Впрочем, артефакты, рассмотренные в настоящей главе, появляются в результате физического контакта ультразвукового луча и среды и не имеют отношения к плохой технике сканирования.

Акустическое затенение

Акустическое затенение возникает в структурах, отражающих и/или поглощающих почти 100% ультразвукового луча (газы или костная ткань) (рис. 2.1). В результате ультразвук не в состоянии проникнуть глубже 

 

Рис.  2.1. Акустическое затенение. Структуры с высокой степенью затухания (полные отражатели: SR) провоцируют полное отражение и/или поглощение энергии звука. Следовательно, отражательная граница раздела данных структур обладает повышенной эхогенностью (белая), в то время как область, отдаленная от подобных структур,является эхоотрицательной (акустическое затенение: AS).

 

поверхности. На изображении это проявляется таким образом, что у поверхности появляется светлая линия, а в глубь поверхности распространяется абсолютно темное пятно. Данное явление известно как акустическое затенение. Ранее были описаны как четкие, так и размытые акустические тени. Мочевые камни (рис. 7.13, с. 119), желчные камни, инородные тела (рис. 4.6, с. 43, отдаленные от швов) или барий, находящиеся внутри кишечника, демонстрируют схожие акустические свойства, что и костная ткань.

 Они практически полностью отражают и поглощают звук и на изображении выглядят как темное пятно. Это явление называется четкая тень. Четкую тень могут давать газы. В то же время они могут провоцировать многократные проявления отражения и реверберации, тем самым создавая размытую тень. Таким образом, тень определяется не только объектом. Она также зависит от размера, строения и поверхности структуры наряду с ее расположением относительно зоны действия датчика.

 

Краевое затенение.

Горизонтальные края кисты (С) выступают в роли лупы, которая преломляет ультразвуковой луч либо по горизонтали, либо от центра. В результате по бокам зоны акустического усиления (АЕ) возникает эхонегативная область (краевое затенение: ES).

 Особенный вид акустического затенения называется краевое затенение. Данный вид затенения возникает по горизонтальным краям структур округлой формы, заполненных жидкостью, таких как желчный пузырь и мочевой пузырь, и может также наблюдаться в тканях на границе с почками . Краевое затенение вызывает рефракция ультразвукового луча при прохождении через границы ткани и жидкой среды. Оно во многом зависит от скорости прохождения луча через округлые границы ткани и жидкости кисты, которая играет роль лупы.

Акустическое усиление

При прохождении сквозь ткань ультразвук теряет энергию. В случае со структурой со слабой аттенуацией, ультразвук теряет меньше энергии, чем когда он проходит сквозь другие ткани. В результате увеличивается интенсивность отраженных от дальних структур сигналов, а на экране это визуализируется как светлая область (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Акустическое усиление. Область, находящаяся далеко от структур со слабой аттенуацией (LA), изображена как усиленная эхоструктура.

 Акустическое сопротивление в основном проявляется на расстоянии от заполненных жидкостью структур, таких как желчный и мочевой пузырь или любая имеющая к ним отношение структура, и помогает отличать гипоэхогенные структуры от жидкостных структур. Впрочем, некоторые плотные гипоэхогенные структуры также способны демонстрировать свойство акустического усиления.

 Реверберация

Появление артефакта в результате реверберации включает в себя отражение ультразвукового луча в прямом и обратном направлении между датчиком и чрезвычайно отражающей поверхностью (рис. 2.4).

 Обычно это проявляется на границе между датчиком и поверхностью тела (внешняя реверберация), но может также возникать по ходу распространения ультразвукового луча на границе с любой сильно отражающей поверхностью, такой как тонкая кишка, или между поверхностью тела и легкими (внутренняя реверберация).

 

Рис. 2.4. Реверберация. Отражение ультразвукового луча от двух отражательных структур (а, б) в направлении вперед и назад с возникновением многократного отражения одного импульса (1—4). Поскольку отраженные сигналы медленнее возвращаются к датчику, на рисунке они изображены в виде прямых, находящихся на расстоянии от датчика

  

Используя УЗИ грудной клетки, мы видим, что ультразвуковой луч проходит сквозь грудную стенку, проникает в ее ткани и затем, отражаясь от воздуха в легких, возвращается к датчику. Датчик записывает отраженный сигнал, а на изображении появляется эхоположительная линия. Затем отраженный сигнал вновь возвращается к датчику, отразившись от воздуха в легких. Таким образом, сигнал дважды проходит расстояние и дважды отражается, а ультразвуковой прибор фиксирует этот процесс как усиление первого сигнала. В результате постоянно повторяющегося       процесса       на       изображении       становятся       видны концентрические линии, а получение информации об областях под исследуемой поверхностью становится не возможным.

Именно поэтому ультразвук имеет ограниченное применение при изучении легочных заболеваний, а акустические окна также очень важны в ультразвуковой  кардиографии.

Артефакт, напоминающий хвост кометы, - это особая форма артефакта, вызванного реверберацией, характеризующаяся регулярными яркими продолжительными сигналами. Данный артефакт производят маленькие инородные тела или воздушные пузырьки, расположенные ближе к поверхности.

Зеркальный артефакт

Построение изображения происходит за единицу времени, в течение которой отраженный ультразвуковой луч возвращается к датчику, после чего он посылается заново к тканям. При этом ультразвуковой луч должен двигаться строго по прямой линии от и до отражательной поверхности (рис. 2.5).

 

Рис. 2.5. Зеркальный артефакт. Твердая наклонная поверхность с сильным акустическим сопротивлением (R) способна отражать ультразвуковой луч на орган. Объекты (О) отражают ультразвуковой луч снова на эту поверхность, а с этой поверхности луч отражается на датчик. Вследствие продолжительности обратного пути ультразвуковых волн объект окажется дальше по отношению к отражательной поверхности (VO - мнимые объекты).

 

Сильно отражающие выпуклые и вогнутые поверхности, такие как граница диафрагмы и легких, будут отражать ультразвуковой луч на соседний орган, например печень, от которого сигнал снова отразится на границу диафрагмы и легких, а затем - на датчик. Поскольку данный сигнал затрачивает больше времени на обратный путь до датчика, чем, если бы он возвращался к нему по прямой линии, а компьютер допускает такой вариант; он также допускает, что луч может возникнуть перед диафрагмой, то не стоит путать зеркальный артефакт с диафрагмальной грыжей. Также важное замечание касается того, что зеркальный артефакт отсутствует при гидропневмотораксе   (скопление в плевральной полости жидкости и воздуха или газа.)

 Артефакт «боковой лепесток»

Ультразвуковой луч состоит из основного лепестка и более слабых вторичных, или боковых, лепестков. Обычно изображение строится за счет отражения от объектов, встречающихся на траектории первичного луча. Однако полные отражатели, встречающиеся на пути бокового лепестка, также могут возвращать сигналы к датчику. Обратный сигнал при отражении переместится на траекторию движения основного лепестка. Данный вид артефакта образуется в случае с изогнутыми поверхностями и при наличии таких полных отражателей, как воздух (рис. 2.6).

 

Рис.  2.6. Артефакт «боковой лепесток». Полные отражатели (SR), в случае с второстепенными лучами за пределами основного ультразвукового луча, могут порождать сигналы, которые смещаются по траектории движения соответствующих основных лепестков (ML).

 

 

Разновидностью артефакта «боковой лепесток» является артефакт в виде среза, возникающий в таких структурах, как желчный или мочевой пузырь. Он воспроизводит наличие осадка внутри некоторых структур и называется «псевдоосадок» . Если ультразвуковой луч не шире, чем мочевой пузырь, обычно псевдоосадок исчезает. Отличить настоящий осадок от «псевдоосадка» можно, если животное поменяет положение. Плоскость поверхности «псевдоосадка» будет всегда перпендикулярна плоскости ультразвукового луча.

Литература

Barthez, P. Y., Leveille, R. & Scrivani, P. V. (1997) Side Lobes and Gating Lobe Artefacts in Ultrasound Imaging. In: Veterinary Radiology and Ultrasound, 38,387-393.

Curry III, T. S., Dowdey, J. E. & Murry Jr, R. С (1990) Ultrasound. In: Christensens's Physics of Diagnostic Radiology, 4th edn, pp. 323-371. Leo & Febiger, Philadelphia.

Herring, D. S. & Bjornton, G. (1985) Physics, Facts and Artefacts of Diagnostic Ultrasound. Veterinary Clinics of North America - Small Animal Practice,   15,   1107-1122.

Kirberger,   R.   М.   (1995)  Imaging Artefacts  in Diagnostic   Ultrasound,   36, 297-306.

Nyland, T. G. & Mattoon, J. S. (2002) Artefacts. In: Small Animal Diagnostic Ultrasound, 2nd edn, pp. 19-29. W. B. Saunders Co., Philadelphia.

  {jcomments off}

• | Print |
•  Email

 

Ультразвук и ткани организма

В   основе  ультразвуковой  диагностики   лежит  тот   факт,   что   звуковые волны при прохождении через ткани могут либо отражаться, преломляться, либо поглощаться. Звуковые волны, которые возвращаются к датчику, создают изображение. Чем больше ультразвука вернется к датчику, тем ярче будет изображение, передаваемое на экран (В-метод). Для правильной его оценки или интерпретации важно понимать, что влияет на взаимодействие между ультразвуком и тканью. Отражение, преломление и поглощение - абсолютно разные процессы; однако, они имеют одинаковую природу. Благодаря отражению происходит построение изображения: отраженные ультразвуковые волны превращаются в изображение по возвращении к датчику. На отражение влияют размеры исследуемого объекта, а также частота ультразвуковых волн. Волны с более высокой частотой быстрее отражаются от мелких объектов исследования и также быстрее угасают; такой ультразвук используется для создания изображений поверхностных объектов исследования, то есть таких, которые находятся ближе всего к поверхности тела.

 

 

Рис.   1.3. Появление артефакта в результате реверберации во время УЗИ грудной клетки собаки. Демонстрируется эффект от отражения 99% ультразвуковых волн на границе мягкой ткани и газообразной среды. Данное явление может вводить в заблуждение при наличии газообразной среды.

 

Как уже было сказано, при прохождении ультразвука через границы тканей, отражение растет; следовательно, для создания изображения более глубоких тканей и полостей ультразвука становится меньше. Данный факт легко объясняет потребность в надежном способе связи между датчиком и поверхностью кожи.

Отражение ультразвукового луча происходит строго под прямым углом. При    этом    плоскость    ультразвукового    луча    обычно    перпендикулярна плоскости исследуемой структуры. В противном случае, при условии, что скорость распространения внутри тканей одинакова, угол отраженного ультразвукового луча все же будет равен углу упавшего луча. Если же скорость распространения в этих тканях будет разная, то произойдет преломление. При отражении от больших гладких структур, размеры которых значительно превышают длину ультразвуковой волны, происходит зеркальное отражение. Однако очень часто отражение происходит от поверхностей, которые не являются полностью гладкими, а их размеры не превышают длину ультразвуковых волн. Такие ультразвуковые волны являются диффузными, так как они распространяются в разных направлениях и обладают низкой амплитудой.

Их применение дает преимущество: поскольку, хотя они и слабее, чем зеркальные рефлекторы, они меньше зависят от случайного угла падения и широко используются для изучения строения органов. Разница в яркости тех или иных участков на изображении объясняется разницей в степени рассеивания от одной области-к другой и определяется терминами гиперэхогенность и гипоэхогенность. Гиперэхогенность - результат увеличения рассеивания; гипоэхогенность - результат уменьшения рассеивания. Данные явления проявляются при сравнении соседних исследуемых   областей.

Рефракция - это изменение направления распространения ультразвуковых волн по мере их прохождения сквозь разные среды, в которых скорость прохождения слегка изменяется. Рефракция наступает при условии, что случайные ультразвуковые волны будут распространяться косо. Обычно рефракция наблюдается в случае с внутренним органом, заполненным жидкостью и находящимся внутри более твердой структуры, как, например, на границе желчного пузыря (рис. 1.5, с. 6). Этот эффект проявляется      сильнее      в      средах      с      более      сильным      акустическим сопротивлением.   Поскольку   в   результате   рефракции   ультразвуковой  луч  изменяет   направление  движения,   угол   его   отражения  также   изменится, поэтому расположение исследуемого  внутреннего органа на изображении может   отличаться   от   действительности.    В   результате   могут   появиться вводящие в заблуждение артефакты.

 

Рис.  1.4. Если ультразвуковой  луч подается на плоскость  границ двух тканей не перпендикулярно, угол его  отражения (R) будет равен углу  его падения (I) при условии, что скорость распространения ультразвуковых волн в этих средах одинаковая. (Vj -скорость ультразвуковых волн     при прохождении сквозь Ткань 1, V2 - скорость прохождения ультразвуковых волн сквозьТкань 2). Данное явление     называется законом Снеллиуса.

 

При наличии большого числа структур,  которые вызывают дисперсию если     их     размеры     сильно     уступают     длинам     ультразвуковых     волн,  наблюдается эффект (вынужденного) релеевского рассеяния. Примером тому могут послужить красные кровяные клетки. Дисперсия при обследовании подобных частиц пропорциональна частоте, увеличенной в четыре раза; следовательно, увеличение частоты в два раза приводит к росту дисперсии в 16 раз.

 

 

Рис.   1.5. Эффект пограничного затенения на границе желчного пузыря. Причиной данного явления является рефракция ультразвукового луча, так как его скорость внутри наполненного жидкостью органа отличается от скорости внутри печени.

 

Затухание - уменьшение интенсивности ультразвукового луча во время его прохождения сквозь ткани; происходит вследствие (вынужденного) релеевского рассеяния и поглощения. При поглощении звука его энергия преобразуется в тепло силой трения внутри тканей. Данный эффект проявляется тем сильнее, чем больше плотность ткани, сквозь которую проходит ультразвук; он также напрямую отвечает на вопрос о том, почему текучие среды поглощают меньше ультразвука при его прохождении, чем мягкие ткани, и косвенно объясняет явление дальнего акустического усиления.

Затухание прямо пропорционально частоте и проявляется сильнее, например, при прохождении сквозь жировую ткань. Благодаря данному явлению становится ясно, почему для исследования поверхностных тканей у животных, страдающих ожирением, могут использоваться ультразвуковые волны более низкой частоты.  Ниже  представлены общие рекомендации    по    выбору   ультразвукового    датчика    в    зависимости    от глубины проникновения ультразвуковых волн:

 

Частота(МГц)Глубина(см)

5,0               12-15

7,5                 6-8

10                   4

 

• | Print |
•  Email

 

Производство ультразвука

Пэдди Маннион

Ультразвуковыеволныиспускаютсявнутридатчика пьезоэлектрическим кристаллом, который выполняет две функции: он преобразует электрическую энергию в энергию звука и, наоборот, энергию звука в электрическую энергию. Обычно эти кристаллы выполнены из керамических материалов или из смешанной керамики, которые были подвергнуты воздействию очень высоких температур, чтобы придать кристаллам пьезоэлектрические свойства. При воздействии на кристалл электрического тока происходит его деформация, в результате чего появляется ультразвук. Это явление известно как пьезоэлектрический эффект. Сегодня кристаллы, изготовленные на основе материалов из смешанной керамики, производят ультразвук различной частоты. Электрическое напряжение скачкообразно подается на кристалл, в результате чего он производит ультразвук в течение приблизительно 1% этого периода времени. Длительность испускания ультразвука равна 2-3 длинам волны. Для этого есть термин - пульсирующая длина. Датчик в течение остального времени (99%) принимает возвращающиеся звуковые сигналы. По их возвращении кристалл снова деформируется, после чего возникает электрический сигнал, который затем трансформируется в изображение на экране. Этот процесс называется взаимообратный пьезоэффект. Чем больше напряжение, подаваемое на кристалл, тем выше интенсивность испускания ультразвука. С ростом напряжения можно увеличить интенсивность ультразвука; однако необходимо помнить о том, что напряжение и интенсивность не являются тождественными понятиями. Увеличение напряжения приведет к росту интенсивности ультразвука; однако в действительности увеличение напряжения означает увеличение напряжения на кристалл, в результате чего повышается реверберация и увеличивается интенсивность ультразвука. Частота испускания ультразвуковых волн называется частотой импульсных повторов и зависит от длительности временного промежутка, в течение которого ультразвук возвращается к датчику, отразившись от тканей. Новый же импульс испускается только после того, как все ультразвуковые волны, отразившись от    тканей,     возвращаются    к    датчику.     При    получении    изображений поверхностных тканей возможно использование более высокой частоты импульсного повтора. Для ультразвука более глубоких тканей частота импульсного повтора должна быть обязательно ниже.

 

Рис.  1.6 а. Очертания несфокусированного УЗ-луча. На выходе из датчика луч узкий (NF). Он становится шире по мере удаления от датчика (FF).

 Рис. 1.6 б. Эффект фокусирования УЗ-луча для его сужения с целью получения более высокого разрешения изображения.

 Ультразвуковые волны распространяются во всех направлениях. Однако только направление вперед представляет практическую пользу, так как изображение строится на основе ультразвука, распространяющегося в этом направлении. По этой причине датчик имеет специальный блок, который поглощает ультразвуковые волны, идущие в других направлениях.

Для свободного прохождения ультразвуковых волн сквозь ткани важно, чтобы на их пути не было преград, которые бы гасили или отражали их, поэтому в качестве экрана для датчика используется специальный материал.

При производстве ультразвука происходит его небольшое рассеивание; в результате на границе между тканью и датчиком ультразвуковой луч несколько отклоняется от своей траектории. Нормальные очертания ультразвукового луча упрощенно изображены на рис. 1.6, с. 8, на котором также показан сфокусированный ультразвуковой луч. Вследствие отклонения ультразвука от своей траектории разрешение изображения увеличивается. Разрешение изображения представляет чрезвычайную важность для всего процесса УЗИ. Пространственное разрешение делится на продольное и поперечное.

Продольное разрешение

Под продольным разрешением понимают способность различать две точки на всем протяжении ультразвукового луча. Чем лучше продольное разрешение, тем выше качество изображения или отдельных его элементов. Частота, с какой работает ультразвуковой датчик, играет решающую роль, так как разрешение становится лучше при уменьшении длительности импульса.      Высокочастотный      ультразвук      обладает      более      короткой длительностью импульса. Продольное разрешение не должно быть больше, чем половина длительности импульса.

Продольное разрешение = 0,5 х Длина импульса

Следовательно, каждый объект исследования должен быть не больше длительности одного импульса, чтобы определяться как отдельный объект (рис. 1.7).

 

 

Рис.   1.7. Принципы продольного разрешения. Если две точки разделены одной длиной импульса или несколькими, на экране они отображаются как отдельные структуры. Если данные точки отстоят друг от друга на расстоянии, меньшем, чем длина импульса, они видны как одна точка.

 Поперечное разрешение

Под поперечным разрешением понимают способность различать две точки, лежащие рядом поперек ширины ультразвукового луча. Две точки, лежащие в пределах ширины ультразвукового луча, на изображении видны не как две отдельные точки, а как две точки, одна из которых лежит в пределах ширины луча, а другая не лежит, будут отображаться по отдельности (рис.  1.8, с. 9).

 

 

Рис.   1.8. Принципы поперечного разрешения. Две различимые точки перпендикулярны плоскости ультразвукового луча. Если данные точки лежат в пределах ширины луча, они видны как одна точка; если одна из данных точек лежит вне ширины ультразвукового луча, то они различаются как отдельные точки.

 

Иными словами, если один из объектов лежит по ширине ультразвукового луча, а другой - вне ее, на изображении они видны как два отдельных объекта; в противном случае они отображаются как один объект. У высокочастотных датчиков ультразвуковой луч длиннее в том месте, где он сужается, поэтому их поперечное разрешение выше. Вследствие зависимости поперечного разрешения от ширины ультразвукового луча, для достижения наилучших результатов УЗИ рекомендуется использовать высокочастотный ультразвук или сканировать область, лежащую в зоне действия датчика. У большинства современных датчиков фокусированный ультразвуковой луч. У многих ультразвуковых приборов также предусмотрена возможность настройки для обеспечения наилучшего качества изображения.