Ультразвуковое исследование - это современный метод клинической визуализации, который регистрирует отражения волн от тканей пациента. Эти отражения, часто называемые эхо-сигналами, являются ключевым явлением для всего диагностического процесса. В физике звук определяется как механическая продольная волна, при которой колебания частиц происходят в той же плоскости, что и распространение энергии. В отличие от электромагнитных волн, ультразвук требует наличия среды для распространения и не может распространяться в вакууме.
Звуковая шкала измеряет частоту в герцах, для человеческого слуха она колеблется от 20 до 20 000 Гц. Современные диагностические ультразвуковые сканеры работают на гораздо более высоких частотах, обычно от 2 до 20 МГц. Физические характеристики ультразвуковых волн определяются четырьмя основными параметрами: частотой, периодом, амплитудой и интенсивностью. Частота - это количество полных циклов в секунду, где 1 Гц соответствует одному колебанию в секунду, а 1 МГц - миллиону колебаний.
Период волны измеряет время, необходимое для одного полного цикла колебаний, обычно выражаемое в секундах или микросекундах. Длина волны - это расстояние, которое проходит одно колебание в пространстве, измеряемое в метрах или миллиметрах. Эти параметры взаимосвязаны через скорость распространения, которая зависит от плотности и эластичности среды. Например, скорость ультразвука в мягких тканях человека составляет примерно 1540 м/с, тогда как в костях она достигает 4620 м/с.
Высокочастотный диагностический датчик использует более короткую длину волны, что обеспечивает превосходное разрешение и детализацию изображения. Однако более высокие частоты имеют меньшую глубину проникновения, что затрудняет визуализацию глубоких органов у крупных пациентов. Чтобы увидеть более глубокие структуры, медицинские работники должны снизить частоту, хотя это снижает четкость изображения. Профессионалы выбирают конкретные центральные частоты для многочастотных датчиков в зависимости от конкретной цели визуализации.
Когда ультразвуковые волны проходят через ткани, они затухают, что приводит к снижению интенсивности и амплитуды сигнала. Этот процесс вызван поглощением, отражением и рассеянием тканями, причем более высокие частоты приводят к еще большему затуханию. Значительная интенсивность волн вызывает тепловые эффекты в тканях, что требует тщательного мониторинга теплового индекса (TI) на диагностических экранах. Сканеры часто выдают предупреждения с цветовой кодировкой, чтобы уровень энергии оставался в безопасных пределах и предотвратить перегрев тканей.
Стандартный ультразвуковой сканер состоит из трех основных компонентов: процессора с панелью управления, монитора и датчика. Датчик содержит пьезокристаллы, которые преобразуют электрические импульсы от процессора в ультразвуковые лучи. Эти лучи попадают на границы органов, и результирующие эхо-сигналы возвращаются к датчику для преобразования в данные визуализации. Сканеры работают в непрерывном или импульсно-волновом режимах для сбора диагностической информации.
Импульсно-волновое сканирование обладает уникальными параметрами, такими как длительность импульса и период повторения импульсов. Частота повторения импульсов (PRF) характеризует количество импульсов, излучаемых в секунду, и имеет важное значение для допплерографии. При отслеживании медленного кровотока в мелких сосудах PRF следует свести к минимуму, чтобы избежать шумовых помех. И наоборот, при исследовании крупных сосудов требуется установить более высокие значения PRF на мониторе для точной оценки скорости.
Когда ультразвуковые лучи достигают границы между двумя различными средами, они взаимодействуют на основе акустического сопротивления. Акустическое сопротивление рассчитывается путем умножения плотности среды на скорость ее распространения. Если луч попадает на поверхность перпендикулярно, часть волны отражается от датчика, а остальная часть проходит сквозь него. Когда лучи достигают определенного угла, закон отражения диктует, что угол падения равен углу отражения, в то время как оставшаяся волна преломляется дальше во второй среде.