Датчик в медицине

Запрос «УЗИ» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Ультразвуковое исследование (УЗИ), сонография — неинвазивное исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн.

Портативный аппарат УЗИ GE Logiq V

Физические основыПравить

Ультразвук распространяется в средах в виде чередующихся зон сжатия и расширения вещества. Звуковые волны, в том числе и ультразвуковые, характеризуются периодом колебания — длительностью одного полного цикла упругого колебания среды; частотой — числом колебаний в единицу времени; длиной — расстоянием между точками одной фазы и скоростью распространения, которая зависит главным образом от упругости и плотности среды. Длина волны обратно пропорциональна её периоду. Чем выше частота волны, тем выше разрешающая способность ультразвукового датчика. В системах медицинской ультразвуковой диагностики обычно используют частоты от 2 до 29 МГц. Разрешающая способность современных ультразвуковых аппаратов может достигать долей мм.

Любая среда, в том числе и ткани организма, препятствует распространению ультразвука, то есть обладает различным акустическим сопротивлением, величина которого зависит от их плотности и скорости распространения звуковых волн. Чем выше эти параметры, тем больше акустическое сопротивление. Такая общая характеристика любой эластической среды обозначается термином «акустический импеданс».

В простейшем варианте реализации метод позволяет оценить расстояние до границы разделения плотностей двух тел, основываясь на времени прохождения волны, отраженной от границы раздела. Более сложные методы исследования (например, основанные на эффекте Доплера) позволяют определить скорость движения границы раздела плотностей, а также разницу в плотностях, образующих границу.

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании пациента необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается).

Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 — 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц.

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Доплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты).

При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя.

Составляющие системы ультразвуковой диагностикиПравить

Генератором ультразвуковых волн является датчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы.

Линейные датчики используют частоту 5-15 МГц. Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдьюсера на поверхности тела. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдьюсера к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям. Также линейные датчики за счет большей частоты позволяют получать изображение исследуемой зоны с высокой разрешающей способностью, однако глубина сканирования достаточно мала (не более 11 см). Используются в основном для исследования поверхностно расположенных структур — щитовидной железы, молочных желёз, небольших суставов и мышц, а также для исследования сосудов.

Конвексный датчик использует частоту 1,8-7,5 МГц. Имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие. За счет меньшей частоты глубина сканирования достигает 20-25 см. Обычно используется для исследования глубоко расположенных органов: органов брюшной полости и забрюшинного пространства, мочеполовой системы, тазобедренных суставов.

Секторный датчик работает на частоте 1,5-5 МГц. Имеет ещё большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. Типичным применением секторного датчика является эхокардиография — исследование сердца.

Гель для ультразвуковой эмиссии

В отличие от слышимого диапазона, ультразвук заметно ослабляется и искажается тонкими (доли мм) препятствиями, а высокое разрешение сканирования возможно только при минимальных искажениях амплитуды и времени прохождения звука. При простом прикладывании датчика образуется воздушная прослойка постоянно меняющейся толщины и геометрии. Ультразвук отражается от обеих границ прослойки, ослабевая и интерферируя с полезным отражением. Для устранения отражающих границ в месте контакта применяются специальные гели, заполняющие область между датчиком и кожей.

Методики ультразвукового исследованияПравить

Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки серого. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная — чёрным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение. Выбор позитивной или негативной регистрации определяется личными предпочтениями оператора.
Изображение, получаемое при исследовании, может быть разным в зависимости от режимов работы сканера. Выделяют следующие режимы:

• A-режим (англ. ). Методика даёт информацию в виде одномерного изображения, где первая координата — это амплитуда отраженного сигнала от границы сред с разным акустическим сопротивлением, а вторая — расстояние до этой границы. Зная скорость распространения ультразвуковой волны в тканях тела человека, можно определить расстояние до этой зоны, разделив пополам (так как ультразвуковой луч проходит этот путь дважды) произведение времени возврата импульса на скорость ультразвука.
• B-режим (англ. ). Методика даёт информацию в виде двухмерных серошкальных томографических изображений анатомических структур в масштабе реального времени, что позволяет оценивать их морфологическое состояние.
• M-режим (англ. ). Методика даёт информацию в виде одномерного изображения, вторая координата заменена временной. По вертикальной оси откладывается расстояние от датчика до лоцируемой структуры, а по горизонтальной — время. Используется режим в основном для исследования сердца. Дает информацию о виде кривых, отражающих амплитуду и скорость движения кардиальных структур.

ДоплерографияПравить

Современная триплексная спектральная доплерография сонной артерии (B-режим + ЦДК + СД)

Прибор для слепой доплерографии, на экране прибора отображены: схема сосудов головного мозга вместе с черепом и спектр кровотока получаемый прибором с заданной глубины (вслепую).

Методика основана на использовании эффекта Доплера. Сущность эффекта состоит в том, что от движущихся объектов ультразвуковые волны отражаются с изменённой частотой. Этот сдвиг частоты пропорционален скорости движения лоцируемых структур — если движение направлено в сторону датчика, то частота увеличивается, если от датчика — уменьшается.

Различают слепую доплерографию (не считается ультразвуковым исследованием, выполняется в составе функциональной диагностики) и B-режимную (современная).

Первый устаревший вариант получил своё название из-за того, что выбор лоцируемого потока (сосуда) происходит на основании установки на приборе глубины сканирования вслепую, то есть прибор имеет только доплеровский режим, без B-режима, таким образом невозможно точно установить из какого именно сосуда получаются спектральные данные.

В современных ультразвуковых сканерах доплерография, как правило, производится в дуплексном или даже триплексном режиме, то есть сначала в В-режиме находится сосуд, потом на нём устанавливается область (контрольный объём) измерения данных соответствующая нужной глубине сканирования и получается спектр потока.

Предназначена для оценки движения подвижных сред. В частности, кровотока в относительно крупных сосудах и камерах сердца, стенок сердца. Основным видом диагностической информации является спектрографическая запись, представляющая собой развертку скорости кровотока во времени. На таком графике по вертикальной оси откладывается скорость, а по горизонтальной — время. Сигналы, отображающиеся выше горизонтальной оси, идут от потока крови, направленного к датчику, ниже этой оси — от датчика. Помимо скорости и направления кровотока, по виду доплеровской спектрограммы можно определить характер потока крови: ламинарный поток отображается в виде узкой кривой с четкими контурами, турбулентный — широкой неоднородной кривой.

Непрерывная (постоянноволновая) спектральная доплерография

Методика основана на постоянном излучении и постоянном приеме отраженных ультразвуковых волн. При этом величина сдвига частоты отраженного сигнала определяется движением всех структур на пути ультразвукового луча в пределах глубины его проникновения. Недостаток: невозможность изолированного анализа потоков в строго определённом месте. Достоинства: допускает измерение больших скоростей потоков крови.

Методика базируется на периодическом излучении серий импульсов ультразвуковых волн, которые, отразившись от эритроцитов, последовательно воспринимаются тем же датчиком. В этом режиме фиксируются сигналы, отраженные только с определённого расстояния от датчика, которые устанавливаются по усмотрению врача. Место исследования кровотока называют контрольным объёмом. Достоинства: возможность оценки кровотока в любой заданной точке.

Аналогична импульсной СД, только адаптирована не для кровотока, а для миокарда (стенки сердца).

Цветовое доплеровское картирование (ЦДК)

Основано на кодировании в цвете значения доплеровского сдвига излучаемой частоты. Методика обеспечивает прямую визуализацию потоков крови в сердце и в относительно крупных сосудах. Красный цвет соответствует потоку, идущему в сторону датчика, синий — от датчика. Темные оттенки этих цветов соответствуют низким скоростям, светлые оттенки — высоким. Недостаток: невозможность получения изображения мелких кровеносных сосудов с маленькой скоростью кровотока. Достоинства: позволяет оценивать как морфологическое состояние сосудов, так и состояние кровотока по ним.

Энергетическая доплерография (ЭД)

Методика основана на анализе амплитуд всех эхосигналов доплеровского спектра, отражающих плотность эритроцитов в заданном объёме. Оттенки цвета (от темно-оранжевого к жёлтому) несут сведения об интенсивности эхосигнала. Диагностическое значение энергетической доплерографии заключается в возможности оценки васкуляризации органов и патологических участков. Недостаток: невозможно судить о направлении, характере и скорости кровотока. Достоинства: отображение получают все сосуды, независимо от их хода относительно ультразвукового луча, в том числе кровеносные сосуды очень небольшого диаметра и с незначительной скоростью кровотока.

Применяются также и комбинированные варианты, в частности ЦДК+ЭД — конвергентная цветовая доплерография.

Трёхмерное доплеровское картирование и трёхмерная ЭД

Методика основана на внутривенном введении особых контрастирующих веществ, содержащих свободные микропузырьки газа (диаметром менее 5 мкм при их циркуляции не менее 5 минут). Полученное изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью принтера.

В клинической практике методика используется в двух направлениях.

Динамическая эхоконтрастная ангиография

Существенно улучшается визуализация кровотока, особенно в мелких глубоко расположенных сосудах с низкой скоростью кровотока; значительно повышается чувствительность ЦДК и ЭД; обеспечивается возможность наблюдения всех фаз контрастирования сосудов в режиме реального времени; возрастает точность оценки стенотических поражений кровеносных сосудов.

Применение в медицинеПравить

Эхоэнцефалография, как и доплерография, встречается в двух технических решениях: A-режим (в строгом смысле не считается ультразвуковым исследованием, входит в функциональную диагностику и в настоящее время практически не используется) и B-режим, получивший неофициальное название «нейросонография». Так как ультразвук не может эффективно проникать сквозь костную ткань, в том числе кости черепа, нейросонография выполняется только грудным детям через большой родничок.

Так же, как и эхоэнцефалография, существует в двух технических решениях (разные приборы): A-режим (обычно не считается УЗИ) и В-режим.

Ультразвуковые зонды применяются для измерения размеров глаза и определения положения хрусталика.

Ультразвуковое исследование играет важную роль в постановке диагноза заболеваний внутренних органов, таких как:

• брюшная полость и забрюшинное пространство
  печеньжёлчный пузырь и желчевыводящие путиподжелудочная железаселезёнкапочки
• печень
• жёлчный пузырь и желчевыводящие пути
• поджелудочная железа
• селезёнка
• почки
• органы малого таза

Ввиду относительно невысокой стоимости и высокой доступности ультразвуковое исследование является широко используемым методом обследования пациента и позволяет диагностировать достаточно большое количество заболеваний, таких как онкологические заболевания, хронические диффузные изменения в органах (диффузные изменения в печени и поджелудочной железе, почках и паренхиме почек, предстательной железе, наличие конкрементов в желчном пузыре, почках, наличие аномалий внутренних органов, жидкостных образований в органах.

В силу физических особенностей не все органы можно достоверно исследовать ультразвуковым методом, например, полые органы желудочно-кишечного тракта труднодоступны для исследования из-за содержания в них газа. Тем не менее, ультразвуковая диагностика может применяться для определения признаков кишечной непроходимости и косвенных признаков спаечного процесса. При помощи ультразвукового исследования можно обнаружить наличие свободной жидкости в брюшной полости, если её достаточно много, что может играть решающую роль в лечебной тактике ряда терапевтических и хирургических заболеваний и травм.

Ультразвуковое исследование печени является достаточно высокоинформативным. Врачом оцениваются размеры печени, её структура и однородность, наличие очаговых изменений, а также состояние кровотока. УЗИ позволяет с достаточно высокой чувствительностью и специфичностью выявить как диффузные изменения печени (жировой гепатоз, хронический гепатит и цирроз), так и очаговые (жидкостные и опухолевые образования). Обязательно следует добавить, что любые ультразвуковые заключения исследования как печени, так и других органов, необходимо оценивать только вместе с клиническими, анамнестическими данными, а также данными дополнительных обследований.

Жёлчный пузырь и жёлчные протоки

Кроме самой печени оценивается состояние жёлчного пузыря и жёлчных протоков — исследуются их размеры, толщина стенок, проходимость, наличие конкрементов, состояние окружающих тканей. УЗИ позволяет в большинстве случаев определить наличие конкрементов в полости желчного пузыря.

При исследовании поджелудочной железы оцениваются её размеры, форма, контуры, однородность паренхимы, наличие образований. Качественное УЗИ поджелудочной железы часто довольно затруднительно, так как она может частично или полностью перекрываться газами, находящимися в желудке, тонком и толстом кишечнике. Наиболее часто выносимое врачами ультразвуковой диагностики заключение «диффузные изменения в поджелудочной железе» может отражать как возрастные изменения (склеротические, жировая инфильтрация), так и возможные изменения вследствие хронических воспалительных процессов.

Почки и надпочечники, забрюшинное пространство

Исследование забрюшинного пространства, почек и надпочечников является достаточно трудным для врача ввиду особенностей их расположения, сложности строения и многогранности и неоднозначности трактовки ультразвуковой картины этих органов. При исследовании почек оценивается их количество, расположение, размер, форма, контуры, структура паренхимы и чашечно-лоханочной системы. УЗИ позволяет выявить аномалии почек, наличие конкрементов, жидкостных и опухолевых образований, также изменения вследствие хронических и острых патологических процессов почек.

В исследовании щитовидной железы ультразвуковое исследование является ведущим и позволяет определить наличие узлов, кист, изменения размера и структуры железы.

Кардиология, сосудистая и кардиохирургия

Эхокардиография (ЭхоКГ) — это ультразвуковая диагностика заболеваний сердца.
В этом исследовании оцениваются размеры сердца и его отдельных структур (желудочки, предсердия, межжелудочковая перегородка, толщина миокарда желудочков, предсердий и т. д.), наличие и объём жидкости в полости перикарда, состояние клапанов сердца, а также, в допплеровском режиме, кровоток в сердце и магистральных сосудах. С помощью специальных расчетов и измерений эхокардиография позволяет определять массу миокарда, сократительную способность сердца (фракцию выброса, сердечный выброс и др.). Обычно ЭхоКГ проводится через грудную клетку (трансторакально), также существует чреспищеводная ЭхоКГ (ЧП-ЭхоКГ), когда специальный эндоскопический датчик помещается в пищевод. ЧП-ЭхоКГ позволяет лучше рассмотреть сердце, так как датчик располагается к сердцу ближе, чем при обычной ЭхоКГ и поэтому становится возможным использовать датчик с более высокой частотой ультразвука, что повышает разрешающую способность изображения. Также существуют специальные высокочастотные интраоперационные датчики, которые помогают во время операций на сердце.

4D-ЭхоКГ представленная на изображении, позволяет получать живое 3D-изображение сердца, то есть в реальном времени, что может быть также полезно, для проведения данной методики требуется специальный 4D-датчик.

Акушерство, гинекология и пренатальная диагностика

Ультразвуковое исследование используется для изучения внутренних половых органов женщины, состояния беременной матки, анатомии и мониторинга внутриутробного развития плода.

Этот эффект широко применяется в акушерстве, так как звуки, идущие от матки, легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через мочевой пузырь. Когда матка наполняется жидкостью, она сама начинает проводить звук. Положение плаценты определяется по звукам протекающей через неё крови, а через 9 — 10 недель с момента образования плода прослушивается биение его сердца. С помощью ультразвукового исследования можно также определять количество зародышей или констатировать смерть плода.

Опасность и побочные эффекты

Диагностическое ультразвуковое исследование плода также в целом рассматривается как безопасный метод для применения в течение беременности. Эта диагностическая процедура должна применяться, только если есть веские медицинские показания, с таким наименьшим возможным сроком воздействия ультразвука, который позволит получить необходимую диагностическую информацию, то есть по принципу минимального допустимого или АЛАРА-принципу.

Аппарат ультразвуковой диагностикиПравить

В зависимости от функционального назначения приборы подразделяются на следующие основные типы:

• ЭТС — эхотомоскопы (приборы, предназначенные, в основном, для исследования плода, органов брюшной полости и малого таза);
• ЭКС — эхокардиоскопы (приборы, предназначенные для исследования сердца);
• ЭЭС — эхоэнцефалоскопы (приборы, предназначенные для исследования головного мозга);
• ЭОС — эхоофтальмоскопы (приборы, предназначенные для исследования глаза).

В зависимости от времени получения диагностической информации приборы подразделяют на следующие группы:

• С — статические;
• Д — динамические;
• К — комбинированные.

Официально аппараты для УЗИ можно разделить по наличию тех или иных режимов сканирования, программ измерений (пакеты, например, кардиопакет — программа для эхокардиографических измерений), высокоплотных датчиков (датчики с большим количеством пьезоэлементов, каналов и соответственно более высокой поперечной разрешающей способностью), дополнительных опций (3D, 4D, 5D, эластография и других).

Коммерческая классификация аппаратов УЗИ в основном не имеет чётких критериев и определяется фирмами-производителями и их дилерскими сетями самостоятельно, характерные классы оборудования:

• Начальный класс (В-режим)
• Средний класс (ЦДК)
• Высокий класс
• Премиум-класс
• Экспертный класс

Термины, понятия, сокращения

• . www.ob-ultrasound.net. Дата обращения: 14 июня 2019. Архивировано 26 ноября 2019 года.
• Физика визуализации изображений в медицине: в 2-х томах. Том 2. Глава 7. Ультразвуковая диагностика: Перевод с англ./Под ред. С. Уэбба. — М.: Мир, 1991. — С. 5 — 104.
• Лучевая диагностика: Учебник Т. 1. / под ред. Г. Е. Труфанова — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. с.39-40. ISBN 978-5-9704-1105-6
• ↑ 1 2 3 4 5 6
• EXEM FOAM- air polymer-type a intrauterine foam kit . DailyMed. U. S. National Library of Medicine.
• Лучевая диагностика: Учебник Т. 1. / под ред. Г. Е. Труфанова — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. с.40-44. ISBN 978-5-9704-1105-6
• Merritt, C. R. Ultrasound safety: what are the issues? (неопр.) // Radiology. — 1989. — 1 November (, ). — . — PMID 2678243. Архивировано 17 июня 2009 года.
• Training in Diagnostic Ultrasound: essentials, principles and standards, 1998, с. 2 Архивная копия от 7 мая 2021 на Wayback Machine
• Мобильная ультразвуковая диагностическая система Philips Lumify () купить в Интернет-магазине Philips. www.med.philips.ru. Дата обращения: 2 ноября 2020. Архивировано 3 декабря 2020 года.

Ра́диока́псула (синоним э́ндора́диока́псула; устаревшие названия: кишечный датчик, кишечный радиозонд) — заглатываемая человеком или животным капсула — медицинский прибор, измеряющий в просвете органов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) некоторые величины (например, кислотность, температуру, давление и другие) и передающий результаты измерений по радиоканалу. Радиосигнал от радиокапсулы записывается и обрабатывается специальной приёмно-анализирующей аппаратурой.

Состав измерительного комплексаПравить

Радиокапсула является лишь одной из частей комплекса, измеряющего значения каких-либо характеристик ЖКТ. Сигнал, излучаемый капсулой, должен приниматься специальным устройством. Если не ставится задача определения точного местоположения капсулы в ЖКТ пациента, а также предполагается, что пациент должен вести обычный образ жизни, вне стационара, то приёмник представляет из себя небольшой электронный блок, носимый в кармане одежды или на поясе пациента. Приёмник записывает текущие результаты измерений. После окончания процедуры записанные значения передаются, например, в персональный компьютер, на котором, с помощью специально разработанного программного обеспечения, происходит обработка этих измерений и их анализ.

Если исследуется ЖКТ животных, например, крупного рогатого скота, то приёмник размещается за оградой территории, доступной животным. При этом передатчик в капсуле и приёмник должны обладать достаточными для записи полезного сигнала мощностью и чувствительностью, соответственно.

В обыденной речи фраза «разработка радиокапсулы» и ей аналогичные обычно означает разработку не только самой капсулы, но и всего комплекса аппаратуры, включающего, в том числе, приёмник(и) и программное обеспечение для анализа результатов измерений.

Типы радиокапсул по измеряемым параметрамПравить

Различные варианты радиокапсул измеряют разный набор параметров. Но наиболее часто измеряемыми радиокапсулами параметрами являются внутриполостные давление, температура и кислотность. Существуют различные варианты реализаций: или в одной капсуле совмещают два или более измеряемых параметра, или разрабатывают серию капсул, в которой каждая из капсул оснащена датчиком только одного типа.

Радиокапсулы, измеряющие давление

Датчики измерения температуры в капсулах должны работать в диапазоне 34—42°С, датчик должен обнаруживать изменения температуры, равное ± 0,1 — 0,2 °C.

С момента создания первой радиокапсулы, в датчиках измерения температуры были использованы различные преобразователи:

• сегнетокерамические или иные конденсаторы с резко выраженной температурной зависимостью диэлектрической проницаемости материала между прокладками конденсатора;
• катушки индуктивности с сердечником, магнитная проницаемость которого в достаточной для регистрации степени зависит от температуры;
• терморезисторы;
• диоды или транзисторы с заметной температурной зависимостью коллекторного тока от температуры.

Из истории радиокапсулПравить

Выдающиеся изобретатели — участники бума разработок радиокапсул конца 1950-х — 1960-х годов:

Разработка радиокапсул в СССР

С 1957 года, времени первых публикаций, до начала 1970-х годов разработкой радиокапсул и методов их применения занимались во многих странах и с большим энтузиазмом. Существовала вера, что радиокапсулы смогут стать мощным диагностическим инструментом. Довольно быстро были решены все инженерные задачи, связанные с конструированием капсул, датчиков, передачей и приёмом радиосигнала и его обработкой. Были некоторые достижения в области физиологии (например, измерены pH и температурные профили всего желудочно-кишечного тракта). Общее число публикаций в научных журналах достигло нескольких сотен. Однако главная задача — широкое внедрение радиокапсул в практическую медицину — не была решена.

Основными причинами этого явились сложность (или невозможность) точного определения, где (в каком отделе ЖКТ) в конкретный момент находится капсула и невозможность «остановки» капсулы при её перемещении по ЖКТ на клинически интересном участке.